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WO2014095476A1 - Procede iteratif de determination d'un biais d'un capteur de mesure d'un champ physique vectoriel sensiblement continu - Google Patents

Procede iteratif de determination d'un biais d'un capteur de mesure d'un champ physique vectoriel sensiblement continu Download PDF

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Publication number
WO2014095476A1
WO2014095476A1 PCT/EP2013/076024 EP2013076024W WO2014095476A1 WO 2014095476 A1 WO2014095476 A1 WO 2014095476A1 EP 2013076024 W EP2013076024 W EP 2013076024W WO 2014095476 A1 WO2014095476 A1 WO 2014095476A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bias
sensor
value
mark
criterion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/076024
Other languages
English (en)
Inventor
Joe Youssef
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Movea SA
Original Assignee
Movea SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Movea SA filed Critical Movea SA
Priority to US14/652,658 priority Critical patent/US10466081B2/en
Publication of WO2014095476A1 publication Critical patent/WO2014095476A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C17/00—Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
    • G01C17/38—Testing, calibrating, or compensating of compasses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D18/00—Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0017—Means for compensating offset magnetic fields or the magnetic flux to be measured; Means for generating calibration magnetic fields
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a bias of a measurement sensor of a substantially continuous vector physical field, or, in other words, to a method of continuous calibration of such a sensor, and on an associated device.
  • Numerous devices such as mobile phones, joysticks, motion sensor remote controls, sensor devices for measuring human movement for sports or medical applications, or satellite navigation system receivers use on-board sensors, such as magnetometers, accelerometers, or directional antennas (for directions of arrival directions or DOA for "Direction of Arrival” in English).
  • sensors provide a measure of a generally uniform vectorial physical field in time and space plus a bias or "offset" in English.
  • the bias is the value read by the sensor in null field, i.e. when the physical field is zero.
  • the operation of the signal measured by the physical field sensor requires conversion of the raw data into physical units by applying bias correction and sensor sensitivity settings.
  • This bias can change abruptly or slowly over time. It does not depend on the physical field present in the environment (or ambient field), but the actual sensor and / or effects of the carrier device integral sensor. All of these effects, due to the sensor itself or the carrier device of the sensor are said to be endogenous (implicitly endogenous to the device carrying the sensor), as opposed to the ambient field, said to be exogenous which is the object that one try to measure.
  • the electronics of conditioning and conversion of the sensor, the mechanical or electronic elements constituting the sensor carrying device may be at the origin of bias component.
  • Some sensors also inherently exhibit a bias, which can be sensitive and variable depending on the temperature and / or time. It may also be noted that the very step of manufacturing the electronic card necessary for the device carrying the sensor, with its method of welding the sensor on the card, can modify the bias parameters of the sensor, for example by providing mechanical stresses of the sensor. the welding step.
  • An object of the invention is to provide an automatic bias estimator, without conscious intervention of the user of the electronic device carrying the sensor.
  • the magnetometer measures the ambient magnetic field as an external physical field, but is also sensitive to a possible magnetization of ferrous materials from its nearest vicinity, to the magnetic effect of electric currents circulating in the vicinity, in particular those which constitute the carrier device of the sensor. These materials or electrical circuits are integral with the sensor mark. Since this magnetization or these magnetic effects induced by electric currents are fixed in the sensor reference, their contribution acts as an additional vector constant to the ambient field, thus forming an additional constant at each measuring axis of the sensor. It is typically these magnetic effects due to the device carrying the magnetometer that can be known during their use of telephone-type devices or tablet, or more generally all devices that ship a magnetometer. These effects contribute to bias the measurement of the ambient field.
  • the sensor may be an accelerometer that measures the ambient gravitational field as an external physical field.
  • the accelerometer given the nature of the measurement, there is generally no fear of sources of bias from the device itself.
  • this offset can be considered as unknown and evolve over time, as for example under the effect of temperature.
  • the welding step on the electronic card can significantly modify the offset value. It is essential to know this shift to exploit the measurement of acceleration. Continuous identification of this offset can thus be an advantage which makes it possible to provide an unbiased measurement during the entire use of the sensor.
  • Some methods of eliminating bias require a particular gesture (such as what is recommended in some mobile platforms, the user being asked to perform a gesture similar to an "8" in space, or rotations of the device, or fixed positions relative to the landmark, for example). Such methods are relatively restrictive for the user, or sometimes impossible to apply for devices on board motor vehicles. These methods require the active cooperation of the user, and interrupt its use of the device, since the latter must perform particular gestures. On the other hand, if the bias changes, the last value thus estimated with the user's cooperation method may be out of date. If the calibration system is adapted to detect this obsolescence, it must then re-solicit the user to update the bias and thus again interrupt its use.
  • Offset estimation methods designed on this principle are therefore aimed at ensuring that the standard of the vectors formed on the measurements from the sensor and calibrated (thus corrected by the offset) are equal to the norm of the ambient field at the position of the sensor.
  • the norm of the vectors thus formed must be constant, if the bias is correct. If the bias is not correct, these standards will not be consistent.
  • the estimated offset resulting from these methods aims to make the standard of the vectors formed constant.
  • the criterion is global on the norm of the vector, and can not take into account the three components of the vector. But the effect of a standard operation amplifies the influence of "large” components in relation to "small” components. The minimization of deviations from the standard can not guarantee the best calibration quality of the offsets on each component. It therefore seems interesting to propose methods for which one can form criteria on the components and not only on a global standard.
  • a partial calibration corresponds to the calibration of only a subset of measurement axes of a sensor with several measurement axes.
  • An object of the invention is to solve the aforementioned problems.
  • An object of the invention is to determine whether the bias must be updated by limited calculations, in the background, on any movements.
  • An object of the invention is to determine these measurement biases by limited calculations, in the background, on any movements.
  • An object of the invention is to use measurements of the other sensors embedded in the device, in order to improve the precision and the robustness of the bias.
  • An object of the invention is to operate in partial calibration. Also, according to one aspect of the invention, it is proposed an iterative method for determining a bias of a measurement sensor of a substantially continuous vector physical field in a reference frame, said sensor being linked in motion to a reference, movable in the reference frame, an iteration of the method comprising the following steps consisting of:
  • Such a method makes it possible to form a simple criterion representative of the quality of the estimated bias, exploiting the data of a marker change operator in rotation between the moving mark and the reference mark. Indeed, when the variation of said transformed corrected measure is small in front of the noise of the measurement chain then the bias is correctly estimated, whereas when this variation is large, then the bias is not correctly estimated.
  • Estimating the value of the bias iteratively by applying an iterative method on a set of measures continuously improves the bias value for each new measure available, iteratively optimizing the criterion representing the quality of the bias. Moreover, this method makes it possible to cope with situations where sensor bias values change over time, by taking into account new measurements.
  • the method further comprises, in each iteration, a step of minimizing said criterion based on said estimated bias value, in the moving coordinate system, to determine the bias value, by assimilating the value of the bias to the estimated value of bias minimizing the criterion. It is thus possible to determine a bias of a measurement sensor of a substantially continuous vector physical field in a reference frame, without the intervention of the user.
  • said marker change operator between the moving marker and the reference mark is determined from measurements provided by a linked gyro in motion at the moving mark.
  • a gyrometer is often present in the platforms using an accelerometer and / or a magnetometer, because it is a sensor that delivers information of a complementary nature to these other two sensors, this information is usually already available.
  • Most mobile phones, tablets, motion-based remote controls, joysticks, motion analysis devices for the health or the analysis of the sports movement, are equipped with gyrometers, accelerometers and magneto m beings.
  • a speed sensor or gyrometer provides information complementary to that of the physical field sensors and is therefore commonly included in these devices.
  • smartphones and touch pads commonly ship, in addition to the pair accelerometer and magnetometer, which are two sensors of physical fields related to the Earth, a gyrometer that measures the speed of rotation of the device around its axes.
  • This trio A, G, M respectively for accelerometer, gyrometer and magnetometer, is thus commonly present in these mobile devices.
  • attitude centers onboard mobile phones are now commonly consist of an accelerometer, a magnetometer and a gyrometer.
  • magnetometers and accelerometers miniaturization technologies can provide these gyro sensors mass, cheaply and for a reasonable power consumption.
  • the three sensors accelerometer, magnetometer, and gyrometer are activated at the same time, because all participate by the nature and quality of the information they provide to the constitution of elaborate functions, such as the measurement of orientation.
  • the orientation operator estimator can be provided to the process from the gyro data at a constant rotational operation, which does not adversely affect the process proposed in the invention. Furthermore, a slow drift of the rotation operator thus calculated from the signal of a gyrometer is also compatible with the method described in the invention, insofar as the criterion is built on a finite window of samples, therefore with a forgetting factor of past measurements.
  • said marker change operator between the moving marker and the reference mark is determined from measurements provided by an attitude controller, an optical sensor, an electromagnetic sensor, or a mechanical sensor.
  • said criterion is formed by applying, on said transformed corrected measure, a high-pass filtering operator, in order to extract a variation indicator of said transformed corrected measure with respect to a continuous component.
  • the high-pass filtering operator may be a derivation filter.
  • the variation of said transformed corrected measure is isolated, its amplitude is representative of the effect of the bias of the physical field sensor and thus constitutes an indicator of the quality of the estimated bias.
  • said criterion implements a norm of the difference between two values calculated at two distinct instants, each of the values being calculated by the application of the marker change operator between the movable marker and the reference mark, on the sensor measurement corrected for the bias value.
  • determining the estimated value of the bias by an iterative method uses a gradient descent.
  • the criterion is continuously minimized and provided estimated bias values that converge to the bias value of the sensor.
  • said determination of the bias of the measurement sensor is continuous.
  • the method further comprises, in each iteration, a validation step of effectively updating a candidate bias value, said validation being determined from an analysis of at least two values of said criterion, corresponding to the value of the previous value of the validated bias and to said bias value candidate for the update.
  • said analysis comprises a verification that the value of the criterion corresponding to the candidate bias value is less than or equal to a function applied to the value of the criterion reached for the previously validated bias value.
  • said function may be the identity.
  • the new candidate bias value is better than the previous validated bias value.
  • said function also depends on the time elapsed since the previous validated bias value.
  • the method further comprises a validation step of effectively updating a candidate bias value, said validation being determined from an analysis of the stability of the candidate bias.
  • This stability analysis can be determined from the temporal variation of the candidate bias.
  • the new candidate bias value corresponds to a stabilized value thus signifying a stable and healthy sensor bias situation.
  • This stability analysis thus contributes to reinforcing the validation of the candidate bias and that the latter is better than the previous validated bias value.
  • said rotation marker change operator between the moving mark and the reference mark comprises a rotation matrix between the moving mark and the reference mark.
  • Said sensor can be a magnetometer or an accelerometer
  • the proposed method makes it possible to estimate continuously the bias of a magnetometer or an accelerometer.
  • FIG. 1 schematically illustrates the temporal measurement provided by an axis of the physical field sensor as a function of time, in the mobile coordinate system, this measurement is composed of the value of the constant bias and of a variable part due to the motions of the mobile in the substantially constant field in the reference frame, according to one aspect of the invention
  • FIG. 2 diagrammatically illustrates the method for transforming the measurement of the physical field sensor from the moving marker to the reference mark and shows that the measurement thus transformed is this time composed of a substantially constant component due to the physical field. substantially constant in the reference frame and a time variable component due to the bias of the physical field sensor, according to one aspect of the invention;
  • FIG. 3 schematically illustrates a method of the invention by which the measurement of the sensor is corrected by an estimated bias value, is composed, in the movable frame of a variable part in time due to the motions of the mobile in the reference frame; of reference in which the physical field is substantially continuous and of a constant part due to bias residues; the corrected sensor measurement is transformed by a marker change operator from the moving marker to the reference mark; the corrected measurement thus transformed comprises a substantially constant component in time due to the substantially continuous physical field in the reference frame and a component variable in time representative of the bias of the physical sensor.
  • FIG. 4 schematically illustrates a high-pass filtering method applied to the corrected measurement then transformed in the reference frame and which isolates its variable portion in time, representative of the bias residue of the physical sensor;
  • FIG. 5 schematically illustrates an example of a high pass filtering method, carried out by differential calculation, for example by the difference between two separate measurements of a time interval, applied to the corrected measurement then transformed into the reference frame and which isolates its variable part in time, representative of the bias residues of the physical sensor
  • FIG. 6 schematically illustrates, in block diagram form, the calculation stream according to an example of the invention, the measurement of the sensor is corrected by an estimated bias value, and then transformed into the reference frame by means of FIG. a matrix calculation made from a rotation matrix between the moving coordinate system and the reference reference mark, a differential filter is applied to the transformed corrected measurement to form a criterion which is minimized on the value of the estimated bias; and
  • FIG. 7 diagrammatically illustrates the method of FIG. 6, specifying that the calculation of the transformation operator between the mobile marker and the fixed marker is done by integrating the signal from a gyrometer embedded in the device.
  • the elements having the same references are similar.
  • the continuous calibration method proposed in this patent application is based on the properties of the measured physical field.
  • this physical field is presented as a vector field variable in space and time in a reference frame. reference.
  • this reference mark is fixed relative to the Earth.
  • the applications considered given the time scales (from a few seconds to a few hours or days), space dimensions considered (from a few centimeters to a few kilometers), and taking into account the resolutions of the sensors used (at best the thousandths or ten thousandths of the terrestrial field for consumer-grade sensors), the physical field exhibits stability characteristics in its spatial or temporal variations in a reference reference linked to the earth.
  • Temporal variations are generally negligible compared to the intensity of the main field (which is defined as the constant component in time and space of the physical field for the time and space data of the considered scenario), and the variations Spatial are usually small amplitudes in front of the intensity of the main field.
  • the field generally considered is the magnetic field, and a magnetic sensor or magnetometer M, in a nonlimiting manner, since the invention may, for example, also apply to the gravitational field and an accelerometric sensor. or accelerometer A.
  • the magnetic field formed on the surface of the Earth has as its main contributor the natural magnetic field of terrestrial origin. It is spatially continuous and has only very slow spatial and temporal variations at the scale of the scenarios.
  • the temporal evolution of the Earth's magnetic field is on the scale of geological time. At most we can see a slow variation in the direction of the field over the centuries. Furthermore, the resolution of the sensors used, in particular for the consumer applications under consideration, makes the temporal magnetic signal coming from the geomagnetic activity (of solar origin) that adds to the natural terrestrial magnetic field can be neglected.
  • This environment contributes to adding to the natural component of the terrestrial field a second component of physical field, always predominantly constant in time, but presenting more rapid spatial variations than those of the magnetic field of the Earth.
  • the objects present in an environment generally correlated with human activity behave like so many small contributors to the ambient field that add their contributions to the terrestrial natural field.
  • a model generally used models the intensity of their effect in amplitude as inversely proportional to the distance from the measurement point to the field-generating object, to the power two or three. The effect may be important for a measurement in the immediate vicinity of the object, but it decreases rapidly with distance and tends to fade before the intensity of the Earth's field.
  • Magnetic field sensor based devices are generally used for device orientation measurement purposes relative to the terrestrial reference. It is thus the natural magnetic field of the Earth which represents the signal of interest. In the usual cases, the movements are limited to the capabilities of the wearer of the sensor. In the case of an attitude center on a mobile phone, a touch pad, a remote control (for a game, for the control of a media center by the movement), for example, the Sensor set can be moved very locally, in a range of a few meters. The most important displacements, representative of mobility contexts are of the order of a few hundred meters to a few kilometers.
  • the mobile device For indoor or “indoor” movements in English, it should be noted that the mobile device is generally worn by its user, who is away from the most important magnetic sources (floors, walls, movable elements, etc.). ). For game scenarios, or navigation in 2D or 3D computer content, the displacement is done in a much more limited capture volume. In scenarios of use, we can therefore consider that the ambient magnetic field has a majority component due to the natural terrestrial magnetic field, which can be considered constant in space and time, plus the contributions of the environment, which have the same characteristics.
  • the invention provides a calibration method that can be continuous, without user intervention, bias affecting the measurement of a sensor of a substantially constant physical field in time and space, using in conjunction with raw signals sensor to debiaiser, a measurement of the rotation of the mobile device embodying the physical field sensor.
  • the reference associated with the Earth is denoted “Earth” or E as a reference mark.
  • the reference associated with the mobile device, ie associated with the sensor, is denoted “Sensor” or S.
  • the transformation operator that makes it possible to transform vectors of the reference E to the rotating mark S is denoted by R SE - It will be possible to use the different formalisms well known to those skilled in the art to implement this transformation operator (quaternions, rotation matrices, .). This rotation varies over time, according to the movements of the moving object, and is therefore noted: RSE (Î).
  • the terrestrial natural field or Gaussian field includes all the effects of deep magnetic field sources.
  • the field of anomalies of the terrestrial natural field includes all the field sources not included in the Gaussian field to form the ambient field, and in particular all the contributions of sources close to the surface of the Earth. It includes all natural effects (magnetization of rocks, magnetic effect of geological events) and unnatural effects (Cars, Buildings, ).
  • the ambient field is the sum of the terrestrial natural field and the anomalies field. He is the one who can be observed.
  • the main field is, for a given scenario, and therefore a given scale of space and time, the component of the ambient field which is essentially constant in space and in time.
  • the perturbation field is the component that adds to the main field to give the ambient field.
  • the disturbance field is small in front of the main field.
  • h E (t) the main physical field at the position of the magnetic sensor of the mobile device, in the reference of the Earth or reference reference E.
  • the principal field is substantially invariant in space and in time for the scales of the scenario considered. The consequence is that h E does not depend on time.
  • M s (t) is the signal delivered by the magnetic sensor M on the mobile device, which measures the ambient magnetic field.
  • M s (t) RsE (t) * S M (t) * h E (t) + p s (t) + b M (t).
  • S M (t) models the sensitivity (or gain) to switch from sensor units to physical units. This transformation can take into account possible misalignment of the axes, temperature ...
  • h E (t) designates the main field, at the magnetic sensor position, outside the magnetic disturbance field, and expressed in the reference E.
  • h E (t) is therefore a vector that is approximately constant in time, and we can simplify the equation by simply noting h E.
  • p s (t) represents the disturbances due to the field of magnetic disturbances measured along the axes of the sensor. In practice, these anomalies have a small amplitude compared to the main field.
  • b M (t) models the bias measured at the sensor and thus covers two origins: the bias of the sensor itself and the magnetic field created by the moving object itself. b M (t) is generally likely to evolve over time, slowly and / or in hops.
  • the invention provides a continuous estimator of the bias b M (t) from the raw signal M s (t) from the magnetic sensor or magnetometer M, and with the aid of a knowledge, even imperfect, of the operator of transformation into rotation between the reference reference of the Earth E and the mobile reference S linked to the magnetic sensor M.
  • the good constancy properties of the main field are therefore fully exploited by the invention.
  • Figure 1 is illustrated a representative model of the typical signal (t) measured on one of the axes of the magnetic field sensor M, in this case the x axis. Patterns of signals on other axes would behave similarly.
  • the device embodying the sensor is mobile in the reference frame, it is subject to rotations and / or translations in a volume of space defined by the use scenario of the product. Amplitude units are given in the digital unit of the sensor.
  • a time-varying signal is observed, derived from the application of the value of the main field h E assumed to be constant in time and in the space instrumented by the reference frame, of a transforming operator in rotation, for example a rotation matrix, passing from the E mark to the S mark noted RSE (Î). This operator is variable in time, according to the rotational movements printed on the mobile device.
  • the bias component is here represented by a constant on the observation time b M.
  • This bias component may be of any amplitude, it can be large compared to the amplitude of temporal variations from the main field. She is unknown. According to the method of the invention, this bias component may also be variable over time, the proposed method may provide a continuous estimate of the bias over time.
  • FIG. 2 is illustrated the key step of the method of the present invention. It consists in transforming the vector signal M s (t) by the operator, here denoted Rs (t) of change of reference in rotation between the movable marker (S) and the reference mark (E) to obtain a vector signal M E (t) expressed in the reference reference E.
  • the component of the main field thus transformed S M t) * h E is then a constant, the gain correction S M (t) being assumed to be constant in time, and the value of the main field being constant in the reference frame.
  • the bias component is transformed by the same operation and then presents itself as a variable signal in time Rs £ (t) * b M , and whose variations will be a function of the frequency of the orientation movements of the mobile device.
  • signals of the sensor transformed in the terrestrial frame E are thus identified that when the bias component is correctly estimated and previously subtracted from the sensor signal, the signal obtained is then constant.
  • the invention and its variants are based on this observation and proposes a means of estimating the bias of the sensor.
  • the method of the invention thus appears more clearly. It is based on the principle that the bias sought is correctly estimated when the signal M E (t) obtained by transforming M s (t) by the rotation operator Rs (t) no longer has significant temporal variations, even though the object carrying the sensor is mobile.
  • the invention is therefore based on the formation of a criterion whose amplitude is representative of the bias residue of the sensor, from the sensor measurements transformed by the rotation marker change operator.
  • Figure 3 illustrates this principle by showing that for an estimated bias noted b M , we can form from M s (t), the vector M S B (t) by subtracting b M.
  • the estimated bias noted b M can be obtained in any way. Either it is the best bias estimated up to then, and resulting from a previous bias estimation step as described by the invention, or it is an arbitrary value imposed during the initialization of the method of the invention. To provide this initialization value, one skilled in the art can classically refer to the data sheet of the sensor, for example, or take a value previously identified during a previous calibration step. When the method of the invention operates continuously, the estimated bias value is taken equal to the previous value estimated by the method, before the introduction of a new measurement.
  • the criterion, function to be minimized on b M is a function of b M formed from the signal ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ) and representative of the variations of ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ).
  • this criterion is minimum for a value b M , then this value b M is a good estimator of the value of the bias of the sensor b M.
  • Very many criteria can be formed, as long as they are representative of the variations of ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ).
  • criteria can be formed from the statistics of a set of samples of ⁇ ( ⁇ ), for example taken over a time window of ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ).
  • the average value is representative of the constant main field, and the difference statistics between maximum and minimum or standard deviation are representative of the variations of the signal and are therefore good candidates as criteria to be minimized on b M.
  • the time window can be slippery, which allows to give a weight to the most recent samples and to ignore the oldest samples. In fact, the conditions in which the sensor is located can change over time and the bias estimator is then focused on the most recent situation.
  • a valid criterion can also be formed by high-pass filtering of the signal ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ), since this filtering intersects the DC component and is thus representative of the variations of the signal ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ).
  • Most criteria are equivalent to high pass filters of M EB (t).
  • FIG. 4 illustrates the result of high pass filtering on the signal M EB (t) to form an acceptable criterion.
  • Those skilled in the art can choose other adapted criteria representative of the variations of M EB (t).
  • Figure 5 shows the formation of a criterion based on a particular high-pass filter.
  • the criterion can be formed from a simple difference between two points of the signal M EB (t) separated by a delay T.
  • the time derivative is representative of the variation of the signal M EB (t).
  • FIG. 6 illustrates a device represented in the form of block diagrams, implementing the principle of estimating the bias b M of the magnetometer M by means of the differential criterion f.
  • b M a systematic calculation of the criterion for a table of possible values of b M can be envisaged.
  • Variants of the gradient descent methods can be constructed by iteratively calculating b M by testing a limited set of bias variations in several directions in the bias space and retaining the one that minimizes the bias as a new bias value.
  • the invention proposed according to the method described above requires to have a representation of the rotation of the moving object relative to the reference terrestrial reference E, previously noted in the form of an operator RSE (Î). To do this, it is possible to exploit the rotation estimated by an attitude unit employing all or part of the combinations of Accelerometric, Gyrometric and Magnetometric sensors. It is also possible to use a representation of the rotation of the moving object relative to the referencing reference, estimated from another sensor (optical, radio, electromagnetic, mechanical).
  • the rotation between movable landmark S and landmark E can take any land-referenced landmark convention as a landmark E.
  • the proposed invention applies. Indeed, the properties of the transformed signals described above of constancy of the main field and variation of the bias component remain fully valid, even if the E mark chosen is not known with respect to the classical landmark ("North, East, Down") with a close rotation. It is therefore not necessary in the strict sense to deliver for R S E a rotation operator (for example, a rotation matrix) with respect to an orientation reference known a priori with respect to the terrestrial reference. This important property makes it possible to widen the field of possibilities to provide the operator RSE (Î). Thus any sensor that provides the rotational speed of the moving object in the terrestrial frame is sufficient to apply our invention.
  • a gyrometric sensor in order to estimate an operator of transformation in rotation of the movable reference mark towards the reference mark (for example in the form of the CSR matrix (Î)).
  • This type of sensor delivers the rotational speeds of the moving object in the reference of the moving object S. It is known to those skilled in the art that from these data, it is possible to estimate the rotation RSE (Î) of the movable reference with respect to an unknown marker bound fixedly to the terrestrial reference, with recourse to an integrative function in time of the data of the gyrometer.
  • the invention makes it possible to optimally take advantage of the sensors conventionally present in attitude control units, as is the gyrometer.
  • the advantage is that the method of the invention takes advantage of the information provided by this sensor.
  • FIG. 7 represents a variant of FIG. 6.
  • the rotation RSE (I) is calculated from a calibrated gyrometer denoted G.
  • the gyrometers in their low cost version, or "low cost” in English, have bias drift that can be significant, especially insofar as the calculations conventionally made are of the integral method type, which tend to amplify the nits. bias drifts. Indeed, it is common to observe drifts of several hundred degrees per hour.
  • the method proposed here remains robust to these Long-term drift problem, since the proposed criteria are generally calculated over much shorter periods of time (from a few fractions of a second to the minute) and then there are only drifts of a few fractions of degrees 'to a few degrees.
  • the modes of the invention which form the criterion to be minimized on a limited window of samples of the past, or which give a weight decreasing to the samples according to their delay compared to the present moment, are advantageous.
  • the disturbance field may take, for limited time intervals important values, even with respect to the main field. This is the case for situations in which a magnetic object is displaced relative to the mobile device carrying the magnetic sensor or in dual situations in which the mobile device is approaching sources of disturbance to the main field (movement over a foot of table, for example, moving the mobile device near concrete bars, a car, .).
  • the hypothesis on which the proposed invention is based on the constancy of the physical field in the reference frame is then somewhat flawed.
  • the proposed transformation then includes a term with unknown behavior that adds to the main field and the bias.
  • any change in the constant physical field is considered as an external disturbance.
  • the external disturbance is unknown and is not included in the criterion hypothesis.
  • the external disturbance is the variation of the constant physical field which may be due to the translation of the sensor in space, thus passing from a condition of first field to a second field, and / or from the temporary superimposition of a field additional physics to the constant field.
  • the advantage is not to remain stuck with an estimated bias value under particularly advantageous conditions in the magnetic environment (for example rotations of the object, in a particularly uniform ambient field) whereas the bias of the sensor has since changed, but the new residues of the criterion are no better than the old value of the criterion residue.
  • This method makes the method robust and prevents it from performing skew updates that could degrade the previous sensor calibration.
  • This first strategy of accepting a new bias value based on an actual improvement test of the criterion can also be completed or replaced. Indeed, in the case of a disturbance, the convergence of the bias estimated continuously in the presence of this disturbance, is not stable over time and the estimated bias continuously does not converge to a stable value. It thus presents a character variable in time, according to the external disturbance. Thus, to correct the defect of the criterion that does not consider the unknown external disturbance, it is possible to exploit a temporal stability indicator of the estimated bias, in addition to the criterion based on the absolute value of residue of the common criterion presented above. .
  • This stability indicator can be calculated for example by the temporal variation of the estimated bias.
  • the variation can be implemented for example in the form of estimated bias energy, or by high-pass filtering of the estimated bias, or, for example, by calculating its variance, or by any other computational method that extracts the intensity of the temporal variation of the continuously estimated bias.
  • the invention has been particularly described for the case of a magnetic field sensor, whose bias is particularly subject to continuous or sudden variations during the use of the product that embeds it. It is therefore particularly relevant for this type of device.
  • the invention however remains applicable to all sensors that measure a physical field substantially constant in time and space in a reference frame and for which a continuous estimate of the bias must be produced.
  • the accelerometer measures the earth's gravitational field of gravity.
  • the applicable reference mark will be the terrestrial reference.
  • the same type of method can therefore be used to continuously estimate the bias of an accelerometer on board a mobile device.
  • the particularity of the accelerometer is however that it measures, in addition to the ambient field of gravity, the acceleration components due to the movement of the mobile device itself (the "clean" acceleration).
  • the bias estimator thus constructed may be disturbed during quite strongly accelerated movements, for which the value of the acceleration due to the movement can no longer be considered small compared with the component of the gravitational field.
  • the method of validation of the bias makes it possible to fight against bad updates of the bias and the method thus remains robust with respect to these situations.
  • the steps of the method described above can be performed by one or more programmable processors executing a computer program for performing the functions of the invention by acting on input data and generating output data.
  • a computer program can be written in any programming language, such as compiled or interpreted languages, and the computer program may be deployed in any form, including as a stand-alone program or as a subroutine or function, or any other form suitable for use in a computing environment.
  • a computer program can be deployed to run on a computer or multiple computers on a single site or on multiple sites distributed and interconnected by a communication network.

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Abstract

Procédé itératif de détermination d'un biais (b M , b A ) d'un capteur de mesure (M, A) d'un champ physique vectoriel (formule (I)) sensiblement continu dans un repère de référence (E), ledit capteur (M, A) étant lié en mouvement à un repère (S), mobile dans le repère de référence (E), une itération du procédé comprenant les étapes suivantes consistant à : - estimer une valeur de biais (formule (II)) dans le repère mobile (S), - corriger une mesure du capteur (M, A) de ladite valeur estimée de biais (formule II)), dans le repère mobile (S), - transformer ladite mesure corrigée du repère mobile (S) dans le repère de référence (E), à partir d'un opérateur (formule (III)) de changement de repère en rotation entre le repère mobile (S) et le repère de référence (E), et - former un critère représentatif d'une variation de ladite mesure corrigée transformée.

Description

PROCEDE ITERATIF DE DETERMINATION D'UN BIAIS D'UN CAPTEUR DE MESURE D'UN CHAMP PHYSIQUE VECTORIEL
SENSIBLEMENT CONTINU L'invention porte sur un procédé de détermination d'un biais d'un capteur de mesure d'un champ physique vectoriel sensiblement continu, ou, en d'autres termes, sur un procédé de calibration continue d'un tel capteur, et sur un dispositif associé.
De nombreux dispositifs, tels des téléphones portables, des manettes de jeu, des télécommandes à capteurs de mouvement, des dispositifs à capteurs pour la mesure du mouvement humain destinés à des applications sportives ou médicales, ou des récepteurs de systèmes de navigation par satellites, utilisent des capteurs embarqués, tels des magnéto m êtres, des accéléromètres, ou des antennes directives (pour des mesures de directions d'arrivée ou DOA pour "Direction of Arrivai" en langue anglaise). Ces capteurs fournissent une mesure d'un champ physique vectoriel généralement sensiblement uniforme dans le temps et dans l'espace additionné à un biais ou "offset" en langue anglaise. Par définition, le biais est la valeur lue par le capteur en champ nul, i.e. lorsque le champ physique est nul. L'exploitation du signal mesuré par le capteur de champ physique nécessite une conversion des données brutes en unités physiques par application d'une correction de biais et des paramètres de sensibilité du capteur.
Ce biais peut évoluer brutalement ou lentement au cours du temps. Il ne dépend pas du champ physique présent dans l'environnement (ou champ ambiant), mais du capteur proprement dit et/ou d'effets du dispositif porteur solidaire du capteur. L'ensemble de ces effets, dus au capteur proprement dit ou au dispositif porteur du capteur sont dit endogènes (sous-entendu endogènes au dispositif portant le capteur), par opposition au champ ambiant, dit exogène qui est l'objet que l'on cherche à mesurer. Par exemple d'effet endogène, l'électronique de conditionnement et de conversion du capteur, les éléments mécaniques ou électroniques constitutifs du dispositif porteur du capteur peuvent être à l'origine de composante de biais. Certains capteurs présentent également intrinsèquement un biais, qui peut être sensible et variable en fonction de la température et/ou du temps. On peut également noter que l'étape même de fabrication de la carte électronique nécessaire au dispositif portant le capteur, avec son procédé de soudage du capteur sur la carte, peut modifier les paramètres de biais du capteur, par exemple par apport de contraintes mécaniques de l'étape de soudage.
Un but de l'invention est de proposer un estimateur de biais automatique, sans intervention consciente de l'utilisateur du dispositif électronique portant le capteur.
De manière emblématique, le magnétomètre mesure le champ magnétique ambiant comme champ physique extérieur, mais est également sensible à une aimantation éventuelle des matériaux ferreux de son plus proche voisinage, à l'effet magnétique des courants électriques circulant à proximité, en particulier ceux qui constituent le dispositif porteur du capteur. Ces matériaux ou circuits électriques sont solidaires du repère du capteur. Du fait que cette aimantation ou ces effets magnétiques induits par des courants électriques sont fixes dans le repère du capteur, leur contribution agit comme une constante vectorielle additionnelle au champ ambiant, formant ainsi une constante additionnelle au niveau de chaque axe de mesure du capteur. C'est typiquement ces effets magnétiques dus au dispositif embarquant le magnétomètre que peuvent connaître au cours de leur usage les appareils de type téléphone ou tablette, ou plus généralement tous les dispositifs qui embarquent un magnétomètre. Ces effets contribuent à biaiser la mesure du champ ambiant.
Pour avoir une mesure exploitable du champ physique vectoriel que l'on souhaite mesurer, il est nécessaire de soustraire ces biais de mesures aux mesures transmises par le capteur.
En variante, le capteur peut être un accéléromètre qui mesure le champ gravitationnel ambiant comme champ physique extérieur. Pour l'accéléromètre, compte tenu de la nature de la mesure, il n'est généralement pas à craindre de sources de biais provenant du dispositif lui-même. Ainsi seul le décalage ou "offset" en langue anglaise du au capteur lui-même doit être considéré. Toutefois, comme pour le magnétomètre, cet offset peut être considéré comme inconnu et évoluer au cours du temps, comme par exemple sous l'effet de la température. Notons que pour ce capteur, l'étape de soudage sur la carte électronique peut modifier considérablement la valeur d'offset. Il est indispensable de connaître ce décalage pour exploiter la mesure de l'accélération. Une identification continue de cet offset peut ainsi constituer un avantage qui permet de fournir une mesure sans biais durant toute l'utilisation du capteur.
Certaines méthodes d'élimination de biais nécessitent de réaliser un geste particulier (comme ce qui est préconisé dans certaines plateformes mobiles, l'utilisateur étant invité à réaliser un geste similaire à un "8" dans l'espace, ou des rotations du dispositif, ou des positions fixes par rapport au repère terrestre, par exemple). De telles méthodes sont relativement contraignantes pour l'utilisateur, ou parfois impossibles à appliquer pour des dispositifs embarqués à bord de véhicules automobiles. Ces méthodes nécessitent la coopération active de l'utilisateur, et interrompent son utilisation du dispositif, puisque ce dernier doit effectuer des gestes particuliers. Par ailleurs, si le biais évolue, la dernière valeur ainsi estimée avec la méthode de coopération de l'utilisateur peut s'avérer obsolète. Si le système de calibration est adapté pour détecter cette obsolescence, il doit alors re-solliciter l'utilisateur pour mettre à jour le biais et ainsi à nouveau interrompre son utilisation.
Pour s'affranchir de ces contraintes, il apparaît donc nécessaire de fournir des méthodes dites de calibration continues, qui ne nécessitent pas de coopération consciente et active de l'utilisateur, et agissent d'elles mêmes pour estimer et ainsi permettre la correction de biais, en arrière plan.
Il est également connu des méthodes permettant d'identifier ces biais de mesures en ajustant une sphère sur un ensemble de points de mesure du capteur, le biais de mesures étant le centre de la sphère.
Le document "A curve fitting procédure and its error analysis" de I. Kasa, IEEE Trans, Inst Meas, 25:8-14, 1976 propose un procédé d'approximation d'un modèle de sphère sur un nuage de points. En effet, dans le modèle couramment utilisé, le champ physique ambiant possède une norme constante sur un volume limité. Les mouvements de rotation du dispositif portant le capteur doivent donc conduire à un jeu de mesures réparties sur une sphère, le centre de la sphère étant représentatif du biais du capteur. L'identification de la meilleure sphère passant par les points du jeu de mesure et notamment la position de son centre permet alors de fournir une estimation de l'offset. Le procédé est décrit dans un but purement général et géométrique, il est assez économe en calculs, mais ne fonctionne que si les points utilisés sont correctement répartis sur une sphère.
Les méthodes d'estimation d'offset conçues sur ce principe visent donc à ce que la norme des vecteurs formés sur les mesures issues du capteur et calibrées (donc corrigées de l'offset) soient égales à la norme du champ ambiant à la position du capteur. Pour un champ ambiant constant, la norme des vecteurs ainsi formés doit être constante, si le biais est correct. Si le biais n'est pas correct, ces normes ne seront pas constantes. On voit ainsi que l'offset estimé issu de ces méthodes vise à rendre constante la norme des vecteurs formés. Le critère est global sur la norme du vecteur, et ne peut pas prendre en compte les trois composantes du vecteur. Or l'effet d'une opération de norme amplifie l'influence des "grandes" composantes par rapport aux "petites" composantes. La minimisation des écarts à la norme ne peut donc garantir la meilleure qualité de calibration des offsets sur chacune des composantes. Il apparaît donc intéressant de proposer des méthodes pour lesquelles on peut former des critères sur les composantes et pas seulement sur une norme globale.
Par ailleurs, si on applique ce procédé au problème de la calibration, il ne fonctionne pas pour une calibration partielle.
Une calibration partielle correspond à la calibration d'uniquement un sous-ensemble d'axes de mesures d'un capteur à plusieurs axes de mesures.
Les documents "Estimation of planar curves, surfaces and non- planar space curves defined by implicit équations, with applications to edge and range image segmentation" de G. Taubin, IEEE Trans Pattern Analysis Machine Intelligence, 13:1 1 15-1 138, 1991 , et "Direct least-squares fitting of algebraic surfaces", de V. Pratt, Computer Graphics, 21 :145-152, 1987 proposent un procédé fonctionnant avec des données irrégulièrement réparties (par exemple sur une calotte), mais faisant appel à une décomposition en valeur singulière ou SVD pour "Singular Value Décomposition" en langue anglaise, ou une descente de Newton, qui est peu économe en calculs, et ne fonctionne pas en calibration partielle. Un tel procédé est donc difficilement réalisable sur un dispositif ayant une capacité de calcul limitée par le processeur ou par l'autonomie d'énergie requise. Notons que ces méthodes reposent exclusivement sur les mesures du capteur dont le biais doit être estimé. Or de nombreux dispositifs embarquent d'autres capteurs qui fournissent des informations sur l'attitude du dispositif. Ces informations sont disponibles et c'est l'un des buts de l'invention de les exploiter, afin de rendre l'estimation du biais du capteur plus rapide et robuste. Ainsi, s'il est déterminé que le dispositif ne bouge pas à l'aide d'un capteur auxiliaire, alors qu'il est constaté que le capteur dont le bais doit être déterminé fournit des mesures variables dans le temps, on peut ainsi exploiter l'information d'immobilité pour participer au calcul du biais.
II a par ailleurs été proposé des méthodes continues qui reposent uniquement sur le champ mesuré par le capteur lui-même. Ces méthodes proposent les bonnes propriétés d'être continues, ne pas requérir d'action spécifique de l'utilisateur. Cependant elles peuvent être mises en défaut dans certaines circonstances, notamment lorsque le champ physique varie dans l'espace sur de petites échelles spatiales, ou, en version duale, lorsqu'une source de champ est déplacée à proximité du capteur. Il est alors possible que ces méthodes soient mises en défaut car il est alors difficile d'identifier que la source de l'anomalie ainsi constatée (anomalie par rapport au modèle d'un champ physique uniforme) n'est pas due uniquement à une évolution du biais de la mesure. Ces méthodes présentent donc un risque de non robustesse dans ce type de situation particulière. Enfin, notons que, par principe, ces méthodes sont "aveugles" car elles n'exploitent pas d'autre informations que celles du capteur à débiaiser, les autres informations issues des autres capteurs présents n'étant pas prises en compte.
Un but de l'invention est de résoudre les problèmes précités.
Un but de l'invention est de déterminer si le biais doit être remis à jour, par des calculs limités, en tâche de fond, sur des mouvements quelconques.
Un but de l'invention est de déterminer ces biais de mesures par des calculs limités, en tâche de fond, sur des mouvements quelconques.
Un but de l'invention est d'exploiter des mesures des autres capteurs embarqués dans le dispositif, afin d'améliorer la précision et la robustesse du biais.
Un but de l'invention est de pouvoir fonctionner en calibration partielle. Aussi, il est proposé, selon un aspect de l'invention, un procédé itératif de détermination d'un biais d'un capteur de mesure d'un champ physique vectoriel sensiblement continu dans un repère de référence, ledit capteur étant lié en mouvement à un repère, mobile dans le repère de référence, une itération du procédé comprenant les étapes suivantes consistant à :
- estimer de manière itérative une valeur de biais dans le repère mobile,
- corriger la mesure du capteur de ladite valeur estimée de biais, dans le repère mobile,
- transformer ladite mesure corrigée du repère mobile dans le repère de référence, à partir d'un opérateur de changement de repère en rotation entre le repère mobile et le repère de référence, et
- former un critère représentatif d'une variation de ladite mesure corrigée transformée.
Un tel procédé permet de former un critère simple et représentatif de la qualité du biais estimé, exploitant la donnée d'un opérateur de changement de repère en rotation entre le repère mobile et le repère de référence. En effet, lorsque la variation de ladite mesure corrigée transformée est petite devant le bruit de la chaîne de mesure alors le biais est correctement estimé, alors que lorsque cette variation est grande, alors, le biais n'est pas correctement estimé.
Estimer la valeur du biais de manière itérative par l'application d'une méthode itérative sur un ensemble de mesures permet d'améliorer continûment la valeur de biais pour chaque nouvelle mesure disponible, en optimisant itérativement le critère représentatif de la qualité du biais. Par ailleurs, ce procédé permet, de faire face à des situations ou les valeurs de biais du capteur évoluent dans le temps, grâce à la prise en compte de nouvelles mesures.
Dans un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, dans chaque itération, une étape consistant à minimiser ledit critère en fonction de ladite valeur estimée de biais, dans le repère mobile, pour déterminer la valeur du biais, par assimilation de la valeur du biais à la valeur estimée de biais minimisant le critère. Il est ainsi possible de déterminer un biais d'un capteur de mesure d'un champ physique vectoriel sensiblement continu dans un repère de référence, sans intervention de l'utilisateur.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit opérateur de changement de repère entre le repère mobile et le repère de référence est déterminé à partir de mesures fournies par un gyromètre lié en mouvement au repère mobile.
Un gyromètre est souvent présent dans les plateformes exploitant un accéléromètre et/ou un magnétomètre, car c'est un capteur qui délivre une information de nature complémentaire à ces deux autres capteurs aussi, cette information est généralement déjà disponible. Ainsi la plupart des téléphones mobiles, des tablettes, des télécommandes à mesure de mouvement, des manettes de jeu, des dispositifs d'analyse du mouvement pour la santé ou l'analyse du geste sportif, sont équipées de gyromètres, d'accéléromètres et de magnéto m êtres.
On peut également noter par ailleurs que pour une partie importante des dispositifs mettant en œuvre de tels capteurs de champ physiques, il est maintenant courant d'embarquer à bord, un capteur de vitesse de rotation ou gyromètre. Ce dernier fournit des informations complémentaires à celles des capteurs de champ physique et il est donc couramment inclus dans ces dispositifs. Par exemple les Smartphones et Tablettes tactiles embarquent couramment, en plus du couple accéléromètre et magnétomètre, qui sont deux capteurs de champs physiques liés à la Terre, un gyromètre qui mesure les vitesses de rotation du dispositif autour de ses axes. Ce trio A, G, M, respectivement pour accéléromètre, gyromètre et magnétomètre, est ainsi couramment présent dans ces dispositifs mobiles. Pour beaucoup de fonctions, comme par exemple la mesure d'orientation du dispositif dans le repère terrestre, c'est par la combinaison des informations mesurées par ce trio de capteurs qu'il est possible de fournir une mesure d'orientation précise, robuste, et capable de délivrer des orientations en mode de mouvement rapide. Ainsi, les centrales d'attitudes embarquées à bord des téléphones mobiles sont maintenant couramment constituées d'un accéléromètre, d'un magnétomètre et d'un gyromètre. Tout comme pour les magnétomètres et les accéléromètres, les technologiques de miniaturisation permettent de fournir ces capteurs gyrométriques en masse, à moindre cout et pour une consommation électrique raisonnable. Pour une liste de fonctions grandissante, les trois capteurs accéléromètre, magnétomètre, et gyromètre sont activés en même temps, car tous participent par la nature et la qualité de l'information qu'ils délivrent à la constitution de fonctions élaborées, comme par exemple la mesure de l'orientation.
On peut ainsi, à l'aide des données du gyromètre, et de procédés classiques mettant en œuvre une intégration du signal qu'il délivre, estimer l'opérateur de changement de repère entre le repère mobile et le repère de référence. L'opération d'intégration nécessite, de manière classique, de connaître une valeur de l'opérateur de rotation à un instant donné, car cette opération fournit une valeur de l'opérateur de rotation relatif entre deux instants. Il est à noter que le procédé proposé est robuste à la non connaissance d'une valeur de l'opérateur de changement de repère à un instant donné et qu'il reste également robuste à la dérive de l'opérateur de changement de repère ainsi estimé, ce dernier élément étant du à la dérive de biais du capteur gyrométrique. L'estimateur de l'opérateur d'orientation peut être fourni au procédé à partir des données du gyromètre, à une opération de rotation constante près, ce qui ne pénalise pas le procédé proposé dans l'invention. Par ailleurs, une dérive lente de l'opérateur de rotation ainsi calculé à partir du signal d'un gyromètre est également compatible avec le procédé décrit dans l'invention, dans la mesure où le critère est construit sur une fenêtre finie d'échantillons, donc avec un facteur d'oubli des mesures du passé.
Dans un mode de mise en œuvre, ledit opérateur de changement de repère entre le repère mobile et le repère de référence est déterminé à partir de mesures fournies par une centrale d'attitude, un capteur optique, un capteur électromagnétique, ou un capteur mécanique.
Ainsi, il est possible d'exploiter la donnée d'orientation ainsi fournie afin de former une mesure du capteur de champ physique corrigée dans le repère de référence qui isole et quantifie ainsi la qualité du biais estimé du capteur de champ physique
Selon un mode de mise en œuvre, ledit critère est formé par application, sur ladite mesure corrigée transformée, d'un opérateur de filtrage passe-haut, afin d'extraire un indicateur de variation de ladite mesure corrigée transformée par rapport à une composante continue. Par exemple, l'opérateur de filtrage passe-haut peut être un filtre dérivateur.
Ainsi, la variation de ladite mesure corrigée transformée est isolée, son amplitude est représentative de l'effet du au biais du capteur de champ physique et elle constitue ainsi un indicateur de la qualité du biais estimé.
Dans un mode de mise en œuvre, ledit critère met en œuvre une norme de l'écart entre deux valeurs calculées à deux instants distincts, chacune des valeurs étant calculée par l'application de l'opérateur de changement de repère entre le repère mobile et le repère de référence, sur la mesure du capteur corrigée de la valeur du biais.
Ainsi, il est formé un critère scalaire représentatif de la qualité du biais estimé, et simple à calculer, adapté à des calculateurs frustres par exemple embarqués.
Dans un mode de mise en œuvre, la détermination de la valeur estimée du biais par une méthode itérative utilise une descente de gradient.
Ainsi, via une méthode peu coûteuse en calculs, le critère est continûment minimisé et fourni des valeurs de biais estimées qui convergent vers la valeur de biais du capteur.
Selon un mode de mise en œuvre, ladite détermination du biais du capteur de mesure est continue.
Ainsi, il est possible de faire face à des situations dans lesquelles le biais du capteur évolue en fonction du temps et la méthode délivre continûment une meilleure estimée du biais et un indicateur de qualité.
Dans un mode de mise en œuvre, le procédé comprend, en outre, dans chaque itération, une étape de validation de mise à jour effective d'une valeur de biais candidate, ladite validation étant déterminée à partir d'une analyse d'au moins deux valeurs dudit critère, correspondant à la valeur de la précédente valeur du biais validée et à ladite valeur de biais candidate à la mise à jour.
Ainsi on évite une mise à jour avec une valeur manifestement erronée.
Selon un mode de mise en œuvre, ladite analyse comprend une vérification que la valeur du critère correspondant à la valeur de biais candidate est inférieure ou égale à une fonction appliquée à la valeur du critère atteinte pour la précédente valeur de biais validée. Par exemple, ladite fonction peut être l'identité.
Ainsi il est certain que la nouvelle valeur de biais candidate est meilleure que la précédente valeur de biais validée.
Dans un mode de mise en œuvre, ladite fonction dépend également du temps écoulé depuis la précédente valeur de biais validée.
Ainsi, il est possible de tenir compte du fait que l'ancienne valeur de biais validée devient obsolète au cours du temps et de valider une nouvelle valeur de biais candidate, alors même qu'elle ne présenterait pas une valeur de critère inférieure à la valeur du critère calculé avec l'ancienne valeur de biais validée
Dans un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre, une étape de validation de mise à jour effective d'une valeur de biais candidate, ladite validation étant déterminée à partir d'une analyse de la stabilité du biais candidat.
Cette analyse de stabilité peut être déterminée à partir de la variation temporelle du biais candidat.
Ainsi il est certain que la nouvelle valeur de biais candidate correspond à une valeur stabilisée ainsi signifiante d'une situation de biais du capteur stable et saine. Cette analyse de stabilité participe ainsi à renforcer la validation du biais candidat et que cette dernière est meilleure que la précédente valeur de biais validée.
Par exemple, ledit opérateur de changement de repère en rotation entre le repère mobile et le repère de référence comprend une matrice de rotation entre le repère mobile et le repère de référence.
Ainsi il est proposé une méthode de calcul connue pour appliquer l'opérateur de changement de repère en rotation, par application d'un calcul matriciel.
En outre, lorsqu'il s'agit d'une matrice de rotation, l'inverse est égale à la transposée, ce qui simplifie les calculs.
Ledit capteur peut être un magnétomètre ou un accéléromètre
Ainsi, la méthode proposée permet d'estimer continûment le biais d'un magnétomètre ou d'un accéléromètre.
Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un système de détermination itérative d'un biais d'un capteur de mesure, d'un champ physique vectoriel sensiblement continu dans un repère de référence, ledit capteur étant lié en mouvement à un repère mobile dans le repère de référence, le système comprenant :
- des moyens d'estimation d'une valeur de biais dans le repère mobile,
- des moyens de correction de la mesure du capteur de ladite valeur estimée de biais, dans le repère mobile,
- des moyens de transformation de ladite mesure corrigée du repère mobile dans le repère de référence, à partir d'un opérateur de changement de repère en rotation entre le repère mobile et le repère de référence,
- des moyens de formation d'un critère représentatif d'une variation de ladite mesure corrigée transformée, et
- des moyens de minimisation dudit critère en fonction de ladite valeur estimée de biais, dans le repère mobile, pour déterminer la valeur du biais, par assimilation de la valeur du biais à la valeur estimée de biais minimisant le critère.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre schématiquement la mesure temporelle fournie par un axe du capteur de champ physique en fonction du temps, dans le repère mobile, cette mesure est composée de la valeur du biais constante et d'une partie variable due aux mouvements du mobile dans le champ sensiblement constant dans le repère de référence, selon un aspect de l'invention ;
- la figure 2 illustre schématiquement le procédé de transformation de la mesure du capteur de champ physique, du repère mobile vers le repère de référence et met en évidence que la mesure ainsi transformée est cette fois composée d'une composante sensiblement constante due au champ physique sensiblement constant dans le repère de référence et d'une composante variable en temps due au biais du capteur de champ physique, selon un aspect de l'invention ;
- la figure 3 illustre schématiquement un procédé de l'invention par lequel la mesure du capteur est corrigée d'une valeur de biais estimée, est composée, dans le repère mobile d'une partie variable en temps due aux mouvements du mobile dans le repère de référence dans lequel le champ physique est sensiblement continu et d'une partie constante due au résidus de biais ; la mesure du capteur corrigée est transformée par un opérateur de changement de repère du repère mobile au repère de référence ; la mesure corrigée ainsi transformée comporte une composante sensiblement constante dans le temps due au champ physique sensiblement continu dans le repère de référence et une composante variable en temps représentative du résidus de biais du capteur physique.
la figure 4 illustre schématiquement un procédé de filtrage passe haut appliqué à la mesure corrigée puis transformée dans le repère de référence et qui isole sa partie variable dans le temps, représentative du résidu de biais du capteur physique;
la figure 5 illustre schématiquement un exemple de procédé de filtrage passe haut, réalisé par calcul différentiel, par exemple par différence entre deux mesures séparées d'un intervalle de temps, appliqué à la mesure corrigée puis transformée dans le repère de référence et qui isole sa partie variable dans le temps, représentative du résidus de biais du capteur physique
la figure 6 illustre schématiquement, sous forme de blocs diagramme le flot de calcul selon un exemple de l'invention, la mesure du capteur est corrigée d'une valeur estimée de biais, puis transformée dans le repère de référence à l'aide d'un calcul matriciel réalisé à partir d'une matrice de rotation entre le repère mobile et le repère de référence, un filtre différentiel est appliqué sur la mesure corrigée transformée pour former un critère qui est minimisé sur la valeur du biais estimé; et la figure 7 illustre schématiquement le procédé de la figure 6, en précisant que le calcul de l'opérateur de transformation entre le repère mobile et le repère fixe est réalisé par intégration du signal issu d'un gyromètre embarqué dans le dispositif. Sur l'ensemble de figures, les éléments ayant les mêmes références sont similaires.
La méthode de calibration continue proposée dans la présente demande de brevet repose sur les propriétés du champ physique mesuré.
Dans sa plus grande généralité ce champ physique se présente comme un champ vectoriel variable en espace et en temps dans un repère de référence. Pour le champ magnétique terrestre ou le champ de gravité terrestre, ce repère de référence est fixe par rapport à la Terre. Pour les applications considérées, compte tenu des échelles de temps (de quelques secondes à quelques heures ou jours), des dimensions d'espace considérées (de quelques centimètres à quelques kilomètres), et compte tenu des résolutions des capteurs employés (au mieux, le millième ou dix millième du champ terrestre pour des capteurs de gamme grand public), le champ physique présente des caractéristiques de stabilité dans ses variations spatiales ou temporelles dans un repère de référence lié à la terre. Les variations temporelles sont généralement négligeables devant l'intensité du champ principal (qu'on définit comme la composante constante dans le temps et dans l'espace du champ physique pour les données de temps et d'espace du scénario considéré), et les variations spatiales sont généralement de petites amplitudes devant l'intensité du champ principal.
Dans la suite de la description, le champ généralement considéré est le champ magnétique, et un capteur magnétique ou magnétomètre M, de manière non limitative, car l'invention peut, par exemple, également s'appliquer au champ de gravitation et un capteur accélérométrique ou accéléromètre A.
Pour des applications considérées, le champ magnétique constitué à la surface de la Terre a pour contributeur essentiel le champ magnétique naturel d'origine Terrestre. Il est spatialement continu et ne présente que de très lentes variations spatiales et temporelles à l'échelle des scénarii prévus.
En effet, à l'échelle des dimensions de la Terre, et en dehors de contributeurs ambiants essentiellement urbains (bâtiments, véhicules, canalisations, mobilier ...), l'évolution spatiale des trois composantes du champ magnétique naturel n'est que de quelques nano Tesla par kilomètre pour une valeur typique de norme en France de 45 000 nT.
L'évolution temporelle du champ magnétique terrestre est à l'échelle des temps géologiques. Tout au plus peut-on constater une variation lente de la direction du champ au cours des siècles. Par ailleurs, la résolution des capteurs mis en œuvre, notamment pour les applications grand public considérées, fait que le signal magnétique temporel issu de l'activité géomagnétique (d'origine solaire) qui s'additionne au champ magnétique terrestre naturel peut être négligé.
Pour de plus petites échelles et dans un environnement plus urbain ou typique de l'activité humaine, les anomalies spatiales dues à l'environnement peuvent cependant être beaucoup plus amples. Cet environnement contribue à additionner à la composante naturelle du champ terrestre une seconde composante de champ physique, toujours majoritairement constante dans le temps, mais présentant des variations spatiales plus rapides que celles du champ magnétique de la Terre. Les objets présents dans un environnement généralement corrélé à l'activité humaine se comportent comme autant de petits contributeurs au champ ambiant qui additionnent leurs contributions au champ naturel terrestre. Un modèle généralement employé modélise l'intensité de leur effet en amplitude comme inversement proportionnel à la distance du point de mesure à l'objet générateur de champ, à la puissance deux ou trois. L'effet peut être important pour une mesure à proximité immédiate de l'objet, mais il décroit rapidement avec la distance et tend à s'effacer devant l'intensité du champ terrestre.
Les dispositifs à base de capteur de champ magnétique sont généralement employés à des fins de mesure d'orientation du dispositif par rapport au repère terrestre. C'est ainsi le champ magnétique naturel de la Terre qui représente le signal d'intérêt. Dans les cas habituels, les déplacements sont limités aux capacités du porteur du capteur. Dans le cas d'une centrale d'attitude à bord d'un téléphone mobile, d'une tablette tactile, d'une télécommande (pour un jeu, pour le contrôle d'un média center par le mouvement), par exemple, l'ensemble capteur peut être déplacé très localement, dans une plage de quelques mètres. Les déplacements les plus importants, représentatifs de contextes de mobilité sont de l'ordre de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres. Pour des déplacements en intérieur ou "indoor" en langue anglaise, il est à noter que le dispositif mobile est généralement porté par son utilisateur, qui se tient à distance des sources magnétiques les plus importantes (sols, murs, éléments mobiliers, ...). Pour des scénarii de jeu, ou de navigation dans des contenus informatiques 2D ou 3D, le déplacement se fait dans un volume de capture bien plus limité. Dans des scénarii d'utilisation, on peut donc considérer que le champ magnétique ambiant présente une composante majoritaire due au champ magnétique terrestre naturel, que l'on peut considérer comme constante dans l'espace et dans le temps, additionnée des contributions de l'environnement, qui présentent les mêmes caractéristiques.
L'invention fournit un procédé de calibration qui peut être continue, sans intervention de l'utilisateur, du biais affectant la mesure d'un capteur d'un champ physique sensiblement constant dans le temps et l'espace, en utilisant conjointement aux signaux bruts du capteur à débiaiser, une mesure de la rotation du dispositif mobile embarquant le capteur de champ physique.
Le repère associé à la Terre est noté "Earth" ou E comme repère de référence. Le repère associé au dispositif mobile, i.e. associé au capteur, est noté "Sensor" ou S. L'opérateur de transformation qui permet de transformer des vecteurs du repère E au repère S en rotation est notée RSE- On pourra utiliser les différents formalismes bien connus de l'homme de l'art pour mettre en œuvre cet opérateur de transformation (quaternions, matrices de rotation, ....). Cette rotation varie au cours du temps, selon les mouvements de l'objet mobile, et est donc notée : RSE(Î). Si vE désigne un vecteur exprimé dans le repère E et vs le même vecteur exprimé dans le repère S, on a alors la relation suivante liant les trois termes ainsi définis : vs = RSE* vE. Cette transformation est valable pour tout vecteur dont on souhaite exprimer les coordonnées dans le repère S à partir de son expression dans le repère E.
Le champ naturel terrestre ou champ de Gauss comprend l'ensemble des effets des sources de champ magnétique d'origine profonde.
Le champ d'anomalies du champ naturel terrestre comprend l'ensemble des sources de champ non comprises dans le champ de Gauss pour former le champ ambiant, donc en particulier l'ensemble des contributions des sources proches de la surface de la Terre. Il englobe tous les effets naturels (aimantation des roches, effet magnétiques des événements géologiques) et non naturels (Voitures, Bâtiments, ...).
Le champ ambiant est la somme du champ naturel terrestre et du champ anomalies. Il est celui qu'on peut observer. Le champ principal est, pour un scénario donné, et donc une échelle d'espace et de temps donnée, la composante du champ ambiant qui est essentiellement constante dans l'espace et dans le temps.
Le champ de perturbation est la composante qui s'additionne au champ principal pour donner le champ ambiant. Le champ de perturbation est petit devant le champ principal.
On note hE(t) le champ physique principal à la position du capteur magnétique du dispositif mobile, dans le repère de la Terre ou repère de référence E. Par définition, le champ principal est sensiblement invariant dans l'espace et dans le temps pour les échelles du scénario considéré. La conséquence est que hE ne dépend pas du temps. hs(t) est sa transformée dans le repère S mobile lié au capteur. On a alors la relation suivante liant les deux vecteurs ainsi définis : hs(t)= RSE(Î)* hE.
On note Ms(t) le signal délivré par le capteur magnétique M embarqué sur le dispositif mobile, qui mesure le champ magnétique ambiant. Un modèle général liant Ms(t) à hE(t) peut s'écrire : Ms(t) = RsE(t)*SM(t)*hE(t) + ps(t) + bM(t).
SM(t) modélise la sensibilité (ou gain) pour passer des unités du capteur aux unités physiques. Cette transformation peut prendre en compte d'éventuels défauts d'alignement des axes, de température ...
Comme indiqué précédemment, hE(t) désigne le champ principal, à la position du capteur magnétique, hors champ de perturbation magnétique, et exprimé dans le repère E. hE(t) est donc une grandeur vectorielle approximativement constante dans le temps, et on peut simplifier l'équation en notant simplement hE.
ps(t) représente les perturbations dues au champ de perturbations magnétiques mesurées selon les axes du capteur. En pratique, ces anomalies ont une faible amplitude par rapport au champ principal. Enfin, bM(t) modélise le biais mesuré au niveau du capteur et recouvre donc deux origines : le biais du capteur proprement dit et le champ magnétique créé par l'objet mobile lui-même. bM(t) est généralement susceptible d'évoluer dans le temps, lentement et/ou par sauts.
L'invention fournit un estimateur continu du biais bM(t) à partir du signal brut Ms(t) issu du capteur magnétique ou magnétomètre M, et à l'aide d'une connaissance, même imparfaite, de l'opérateur de transformation en rotation entre le repère de référence de la Terre E et le repère mobile S lié au capteur magnétique M. Comme pour les méthodes exposées dans l'état de l'art, les bonnes propriétés de constance du champ principal sont donc intégralement exploitées par l'invention.
Sur la figure 1 est illustré un modèle représentatif du signal typique (t) mesuré sur un des axes du capteur de champ magnétique M, en l'espèce l'axe x. Les modèles des signaux sur d'autres axes se comporteraient de manière similaire. Le dispositif embarquant le capteur est mobile dans le repère de référence, il est soumis à des rotations et/ou des translations dans un volume d'espace défini par le scénario d'usage du produit. Les unités en amplitude sont données dans l'unité numérique du capteur. On observe un signal variable dans le temps, issu de l'application la valeur du champ principal hE supposé constant dans le temps et dans l'espace instrumenté par le repère de référence, d'un opérateur de transformation en rotation, par exemple une matrice de rotation, passant du repère E au repère S notée RSE(Î). Cet opérateur est variable dans le temps, selon les mouvements de rotation imprimés au dispositif mobile.
La composante de biais est ici représentée par une constante sur la durée d'observation bM. Cette composante de biais peut-être de n'importe quelle amplitude, elle peut être grande par rapport à l'amplitude des variations temporelles issues du champ principal. Elle est inconnue. Selon le procédé de l'invention, cette composante de biais peut également être variable dans le temps, le procédé proposé pouvant fournir une estimation continue du biais au cours du temps.
Sur la figure 2 est illustrée l'étape clé du procédé de la présente invention. Elle consiste à transformer le signal vectoriel Ms(t) par l'opérateur, ici noté Rs (t) de changement de repère en rotation entre le repère mobile (S) et le repère de référence (E) pour obtenir un signal vectoriel ME(t) exprimé dans le repère de référence E.
La composante du champ principal ainsi transformée SM t) * hE est alors une constante, la correction de gain SM{t) étant supposée constante dans le temps, et la valeur du champ principal étant constante dans le repère de référence. La composante de biais est transformée par la même opération et se présente alors comme un signal variable en temps Rs£ (t) * bM, et dont les variations seront fonction de la fréquence des mouvements d'orientation du dispositif mobile. On identifie ainsi à cette étape, sur cette représentation des signaux du capteur transformés dans le repère terrestre E, que lorsque la composante de biais est correctement estimée et auparavant soustraite du signal capteur, le signal obtenu est alors constant. L'invention et ses variantes sont basées sur cette constatation et propose un moyen d'estimer le biais du capteur.
Le procédé de l'invention apparaît ainsi plus clairement. Il repose sur le principe que le biais recherché est correctement estimé lorsque le signal ME(t) obtenu par transformation de Ms(t) par l'opérateur de rotation Rs (t) ne présente plus de variations temporelles significatives, alors même que l'objet portant le capteur est mobile. L'invention se base donc sur la formation d'un critère dont l'amplitude est représentative du résidu de biais du capteur, à partir des mesures du capteur transformées par l'opérateur de changement de repère en rotation.
La figure 3 illustre ce principe en montrant que pour un biais estimé noté bM, on peut former à partir de Ms(t), le vecteur MSB(t) en lui soustrayant bM. Le biais estimé noté bM peut être obtenu de n'importe quelle manière. Soit il s'agit du meilleur biais estimé jusqu'alors, et issu d'une précédente étape d'estimation du biais tel que décrit par l'invention, soit il s'agit d'une valeur arbitraire imposée lors de l'initialisation du procédé de l'invention. Pour fournir cette valeur d'initialisation, l'homme de l'art pourra classiquement se référer à la fiche technique du capteur, par exemple, ou prendre une valeur auparavant identifiée lors d'une précédente étape de calibration. Lorsque le procédé de l'invention fonctionne en continu, la valeur de biais estimée est prise égale à la précédente valeur estimée par le procédé, avant l'introduction d'une nouvelle mesure. La transformation de MsB(t) par la rotation Rs£ (t forme ΜΕΒ(Ϊ) et fait apparaître la composante continue due au champ principal (puisque ce dernier est constant dans le repère de référence), et la composante variable, produit de l'opérateur de transformation en rotation Rsi (0 appliqué au vecteur (bM - bM). Ainsi lorsque bM est un bon estimateur de bM, cette composante variable en temps tend vers 0 ou vers une valeur uniquement dépendante du bruit résiduel.
Le critère, fonction à minimiser sur bM, est une fonction de bM formé à partir du signal ΜΕΒ(Ϊ) et représentatif des variations de ΜΕΒ(Ϊ). Lorsque ce critère est minimum pour une valeur bM, alors cette valeur bM est un bon estimateur de la valeur du biais du capteur bM.
De très nombreux critères peuvent être formés, du moment qu'ils sont représentatifs des variations de ΜΕΒ(Ϊ). Il est par exemple possible de former des critères à partir des statistiques d'un ensemble d'échantillons de ΜΕΒ(Ϊ), par exemple pris sur une fenêtre temporelle de ΜΕΒ(Ϊ). La valeur moyenne est représentative du champ principal constant, et les statistiques de différence entre maximum et minimum ou d'écart type sont représentatives des variations du signal et sont donc de bon candidats comme critères à minimiser sur bM. La fenêtre temporelle peut être glissante, ce qui permet de donner un poids important aux échantillons les plus récents et ne plus tenir compte des échantillons les plus anciens. En effet, les conditions dans lesquelles se trouve le capteur peuvent évoluer dans le temps et on focalise alors l'estimateur de biais sur la situation la plus récente. II est également possible de former un critère valable, par une estimation de la dérivée temporelle du signal ΜΕΒ(Ϊ), car la dérivée est représentative des variations d'un signal. On pourra également former un critère valable par filtrage passe-haut du signal ΜΕΒ(Ϊ), puisque ce filtrage coupe la composante continue et est ainsi représentatif des variations du signal ΜΕΒ(Ϊ). De multiples possibilités et leur variantes sont acceptables comme critères à minimiser sur bM. La plupart des critères sont équivalent à des filtres passe- haut de MEB(t). La figure 4 illustre le résultat d'un filtrage passe haut sur le signal MEB(t) pour former un critère acceptable. L'homme de l'art peut choisir d'autres critères adaptés représentatifs des variations de MEB(t).
Sur la figure 5 est représentée la formation d'un critère sur la base d'un filtre passe-haut particulier. Beaucoup de méthodes sont possibles pour former un filtre passe-haut. Par exemple, le critère peut être formé à partir d'une simple différence entre deux points du signal MEB (t) séparés d'un retard T. La dérivée temporelle est représentative de la variation du signal MEB(t). Sur le vecteur à trois composantes, dans le cas d'un capteur triaxial, la fonction à minimiser peut être formée de la manière suivante : f(t) = [MEB (t) - MEB (t-T)]2; f(t) étant une fonction qui délivre une valeur scalaire à chaque instant.
Une fois le critère choisi, de nombreuses méthodes peuvent être employées pour estimer automatiquement le biais bM. Des méthodes itératives d'optimisation peuvent être employées pour calculer le critère pour des valeurs successives de bM et conduisent pas à pas à des valeurs du critère de plus en plus faibles, donc a priori plus optimales. Dans cette famille de méthodes, on peut par exemple employer des méthodes de descente de gradient. Le biais bM est alors estimé pas à pas selon la formule suivante : bM(k) = bM(k-1 ) - μ grad(f); grad(f) étant le gradient par rapport à bM du critère f. Lorsque f est définie comme f(t) = [MEB (t) - MEB (t-T)]2, alors on a : grad(f) = -2(RSE(t) - RSE(t-T))(RSE(t) Ms (t) - RSE(t-T) Ms (t-T)).
La figure 6 illustre un dispositif représenté sous forme de bloc diagrammes, mettant en œuvre le principe d'estimation du biais bM du magnétomètre M à l'aide du critère différentiel f.
D'autres méthodes de calcul du bM optimal peuvent être employées. Par exemple, un calcul systématique du critère pour une table de valeurs possibles de bM peut être envisagé. Des variantes des méthodes de descente de gradient peuvent être construites en calculant de manière itérative bM en testant un ensemble limité de variations de biais selon plusieurs directions dans l'espace des biais et en retenant celle qui minimise le critère comme nouvelle valeur de biais.
L'invention proposée selon le procédé décrit ci-dessus nécessite de disposer d'une représentation de la rotation de l'objet mobile par rapport au repère terrestre de référence E, précédemment noté sous la forme d'un opérateur RSE(Î). Pour ce faire, il est possible d'exploiter la rotation estimée par une centrale d'attitude employant tout ou partie des combinaisons de capteurs Accélérométrique, Gyrométrique et Magnétométrique. Il est par ailleurs possible d'exploiter une représentation de la rotation de l'objet mobile par rapport au repère de référénce, estimée à partir d'un autre capteur (optique, radio, électromagnétique, mécanique).
Il est également très important de noter que la rotation entre repère mobile S et repère terrestre E peut prendre n'importe quelle convention de repère lié à la Terre comme repère E. Pour tout repère lié fixement à la Terre, même d'orientation inconnue par rapport aux axes terrestres classiquement utilisés ("North, East, Down" en langue anglaise), l'invention proposée s'applique. En effet, les propriétés des signaux transformés décrites ci-dessus de constance du champ principal et de variation de la composante due au biais restent entièrement valides, même si le repère E choisi n'est pas connu par rapport au repère terrestre classique ("North, East, Down") à une rotation prés. Il n'est donc pas nécessaire stricto sensu de délivrer pour RSE un opérateur de rotation (par exemple, une matrice de rotation) par rapport à un repère d'orientation connu a priori par rapport au repère terrestre. Cette propriété importante permet d'élargir le champ des possibilités pour fournir l'opérateur RSE(Î). Ainsi tout capteur qui fournit la vitesse de rotation de l'objet mobile dans le repère terrestre est suffisant pour appliquer notre invention.
Par conséquent, dans un mode avantageux de l'invention, il est possible d'exploiter la donnée d'un capteur gyrométrique afin d'estimer un opérateur de transformation en rotation du repère mobile vers le repère de référence (par exemple sous forme de la matrice RSE(Î)). Ce type de capteur délivre les vitesses de rotation de l'objet mobile dans le repère de l'objet mobile S. Il est connu de l'homme de l'art qu'à partir de ces données, il est possible d'estimer la rotation RSE(Î) du repère mobile par rapport à un repère inconnu lié fixement au repère terrestre, avec recours à une fonction intégrative dans le temps des données du gyromètre. Tout comme on peut estimer une valeur de translation à partir d'une donnée de vitesse linéaire à une constante près, il est possible et connu de l'homme de l'art d'estimer une rotation à partir de données de vitesses de rotation, à une constante près. Ainsi l'invention permet de tirer parti de façon optimale des capteurs présents classiquement dans des centrales d'attitude, comme l'est le gyromètre. L'avantage est que le procédé de l'invention tire parti de l'information apportée par ce capteur. Dans les présentations de l'invention précédentes, il est donc possible de remplacer l'opérateur de transformation en rotation entre le repère mobile et le repère de référence RSE(Î) par une fonction fondée sur le gyromètre. La figure 7 représente une variante de la figure 6. Dans cette variante, la rotation RSE(Î) est calculée à partir d'un gyromètre calibré noté G.
Les gyromètres, dans leur version bas coût, ou "low cost" en langue anglaise, présentent des dérive de biais qui peuvent être non négligeables, surtout dans la mesure où les calculs classiquement réalisés sont du type méthode intégrale, qui tendent à amplifier les lentes dérives de biais. En effet, il est courant d'observer des dérives de plusieurs centaines de degrés par heure. La méthode proposée ici reste bien robuste à ces problème de dérive à long terme dans la mesure où les critères proposés sont généralement calculés sur des délais beaucoup plus courts (de quelques fractions de secondes à la minute) et qu'il n'y a alors que des dérives de quelques fractions de degrés jusqu'à quelques degrés. Ainsi les modes de l'invention qui forment le critère à minimiser sur une fenêtre limitée d'échantillons du passé, ou qui donnent un poids décroissant aux échantillons en fonction de leur retard par rapport à l'instant présent, sont avantageuses.
Enfin, dans mode avantageux de l'invention, il est possible d'ajouter une étape de logique de décision de mise à jour du biais. En effet, pour les situations réelles parfois rencontrées, le champ de perturbation peut prendre, pour des intervalles de temps limités des valeurs importantes, même par rapport au champ principal. Il en va ainsi pour des situations dans lesquelles un objet aimanté est déplacé relativement au dispositif mobile portant le capteur magnétique ou dans les situations duales dans lesquelles le dispositif mobile se rapproche de sources de perturbation au champ principal (déplacement au dessus d'un pied de table, par exemple, déplacement du dispositif mobile à proximité de fers à béton, d'une voiture, ....). L'hypothèse sur laquelle l'invention proposée se fonde sur la constance du champ physique dans le repère de référence est alors quelque peu mise en défaut. La transformation proposée comporte alors un terme au comportement inconnu qui vient s'additionner au champ principal et au biais. La minimisation d'un critère de variation du signal capteur transformé ΜΕΒ(Ϊ) peut alors conduire à de mauvaises estimations du biais, qui serait injecté dans le calcul de calibration du magnétomètre, détériorant ainsi la performance du capteur. En effet, tout changement du champ physique constant est considéré comme une perturbation extérieure. La perturbation extérieure est inconnue et n'est pas inclue dans l'hypothèse du critère. La perturbation extérieure est la variation du champ physique constant qui peut être dû à la translation du capteur dans l'espace, passant ainsi d'une condition de premier champ à un second champ, et/ou du à la superposition temporaire d'un champ physique additionnel au champ constant.
Le champ vectoriel mesuré et transformé (par l'opérateur de changement de repère en rotation) varie alors aussi avec la perturbation extérieure. Pour pallier ce problème, pour lequel la méthode fondée sur un critère de variation peut alors être mise en défaut, il est proposé plusieurs logiques de test avant validation définitive (application au système) d'un biais candidat, qui peuvent être appliquées.
Ainsi, pour pallier ce problème il est proposé de fonder une logique de mise à jour du biais par rapport à l'ancien biais, en comparant la valeur du résidu du critère obtenu lors de la dernière mise à jour du biais, avec la valeur du résidu du critère courant. Si ce dernier est bien plus grand que le dernier résidu de critère associé au dernier biais, alors il est probable que la situation magnétique n'est pas conforme aux hypothèses nécessaires à une bonne estimation de biais et il convient de ne pas mettre à jour le biais. En variante, le seuil d'acceptation de la nouvelle valeur du biais peut être rendue dépendant du temps écoulé depuis la dernière valeur de biais acceptée, ce qui permet des mises à jours du biais d'autant plus faciles qu'un temps important s'est écoulé depuis la dernière mise à jour. L'avantage est de ne pas rester bloqué avec une valeur de biais estimée dans des conditions particulièrement avantageuses au niveau de l'environnement magnétique (par exemple des rotations de l'objet, dans un champ ambiant particulièrement uniforme) alors que le biais du capteur a changé depuis mais que les nouveaux résidus du critère ne sont pas meilleurs que l'ancienne valeur du résidu du critère. Ce procédé rend la méthode robuste et l'empêche de procéder à des mises à jour de biais qui pourraient détériorer la précédente calibration du capteur.
Cette première stratégie de d'acceptation d'une nouvelle valeur de biais fondée sur un test d'amélioration effective du critère peut également être complétée ou remplacée. En effet, dans le cas d'une perturbation la convergence du biais estimé en continu en présence de cette perturbation, n'est pas stable dans le temps et le biais estimé en continu ne converge pas vers une valeur stable. Il présente ainsi un caractère variable dans le temps, en fonction de la perturbation extérieure. Ainsi, pour corriger le défaut du critère qui ne considère pas la perturbation extérieure inconnue, il est possible d'exploiter un indicateur de stabilité temporelle du biais estimé, en plus du critère fondé sur la valeur absolue de résidu du critère courant présenté ci-dessus. Cet indicateur de stabilité peut être calculé par exemple par la variation temporelle du biais estimé. La variation peut être implémentée par exemple sous forme d'énergie du biais estimé, ou par filtrage passe-haut du biais estimé, ou par exemple, par le calcul de sa variance, ou par tout autre méthode calculatoire qui extrait l'intensité de la variation temporelle du biais estimé en continu.
L'invention a été particulièrement décrite pour le cas d'un capteur de champ magnétique, dont le biais est particulièrement sujet à des variations continues ou brutales au cours de l'utilisation du produit qui l'embarque. Elle est donc particulièrement pertinente pour ce type de dispositifs.
L'invention reste cependant applicable à tous les capteurs qui mesurent un champ physique sensiblement constant en temps et en espace dans un repère de référence et pour lequel une estimation continue du biais doit être produite. Ainsi, tout comme le magnétomètre mesure le champ magnétique terrestre, l'accéléromètre mesure le champ de gravité lié à la terre. Comme pour le magnétomètre, le repère de référence applicable sera le repère terrestre. Le même type de procédé peut donc être exploité afin d'estimer en continu le biais d'un accéléromètre à bord d'un dispositif mobile. La particularité de l'accéléromètre est cependant qu'il mesure, en plus du champ de gravité ambiant, les composantes d'accélération dues au mouvement même du dispositif mobile (l'accélération « propre »). Ceci ajoute une composante qui est considérée comme « perturbatrice » pour le procédé, tout comme pour le champ magnétique l'est le champ de perturbation, et introduit une composante notée précédemment ps(t). L'estimateur de biais ainsi construit pourra être perturbé lors de mouvements assez fortement accélérés, pour lesquels la valeur de l'accélération due au mouvement ne peut plus être considérée comme petite devant la composante du champ de gravité. Cependant la méthode de validation du biais permet de lutter contre de mauvaises mises à jour du biais et la méthode reste ainsi robuste par rapport à ces situations. Les étapes du procédé décrit ci-dessus peuvent être réalisées par un ou plusieurs processeurs programmables exécutant un programme informatique pour réaliser les fonctions de l'invention en agissant sur des données d'entrée et en générant des données de sortie.
Un programme informatique peut être écrit dans n'importe quel langage de programmation, tels les langages compilés ou interprétés, et le programme informatique peut être déployé sous n'importe quelle forme, y compris en tant que programme autonome ou comme un sous-programme ou fonction, ou tout autre forme appropriée pour une utilisation dans un environnement informatique.
Un programme d'ordinateur peut être déployé pour être exécuté sur un ordinateur ou sur plusieurs ordinateurs sur un seul site ou sur plusieurs sites répartis et reliés entre eux par un réseau de communication.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé itératif de détermination d'un biais {bM, bA) d'un capteur de mesure (M, A) d'un champ physique vectoriel (B, G) sensiblement continu dans un repère de référence (E), ledit capteur (M, A) étant lié en mouvement à un repère (S), mobile dans le repère de référence (E), une itération du procédé comprenant les étapes suivantes consistant à :
- estimer une valeur de biais dans le repère mobile (S),
- corriger une mesure du capteur (M, A) de ladite valeur estimée de biais { i, b ), dans le repère mobile (S),
- transformer ladite mesure corrigée du repère mobile (S) dans le repère de référence (E), à partir d'un opérateur (RsiK ) de changement de repère en rotation entre le repère mobile (S) et le repère de référence (E), et
- former un critère représentatif d'une variation de ladite mesure corrigée transformée.
2. Procédé selon la revendication 1 , comprenant, en outre, dans chaque itération, une étape consistant à minimiser ledit critère en fonction de ladite valeur estimée de biais dans le repère mobile (S), pour déterminer la valeur du biais {bM, bA), par assimilation de la valeur du biais {bM, bA) à la valeur estimée de biais minimisant le critère.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit opérateur de changement de repère (RsiK ) entre le repère mobile (S) et le repère de référence (E) est déterminé à partir de mesures fournies par un gyromètre (G) lié en mouvement au repère (S).
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit opérateur de changement de repère (RsiK ) entre le repère mobile (S) et le repère de référence (E) est déterminé à partir de mesures fournies par une centrale d'attitude, un capteur optique, un capteur électromagnétique, ou un capteur mécanique.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit critère est formé par application, sur ladite mesure corrigée transformée, d'un opérateur de filtrage passe-haut, afin d'extraire un indicateur de variation de ladite mesure corrigée transformée par rapport à une composante continue.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'opérateur de filtrage passe-haut est un filtre dérivateur.
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel ledit critère met en œuvre une norme de l'écart entre au moins deux valeurs calculées à au moins deux instants distincts, chacune des valeurs étant calculée par l'application de l'opérateur de changement de repère {Rs£ (t ) entre le repère mobile (S) et le repère de référence (E) sur la mesure du capteur (M, A) corrigée de la valeur du biais
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la détermination de la valeur estimée du biais {bM, bA) par une méthode itérative utilise une méthode de descente de gradient.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite détermination du biais {bM, bA) du capteur de mesure (M, A) est continue.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant, en outre, dans chaque itération, une étape de validation de mise à jour effective d'une valeur de biais candidate, ladite validation étant déterminée à partir d'une analyse d'au moins deux valeurs dudit critère correspondant à la valeur de la précédente valeur du biais validée et à ladite valeur de biais candidate à la mise à jour.
1 1 . Procédé selon la revendication 10, dans lequel ladite analyse comprend une vérification que la valeur du critère correspondant à la valeur de biais candidate est inférieure ou égale à une fonction appliquée à la valeur du critère atteinte pour la précédente valeur de biais validée.
1 2. Procédé selon la revendication 1 1 dans laquelle ladite fonction est l'identité
1 3. Procédé selon la revendication 1 1 dans lequel ladite fonction dépend également du temps écoulé depuis la précédente valeur de biais validée.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant, en outre, une étape de validation de mise à jour effective d'une valeur de biais candidate, ladite validation étant déterminée à partir d'une analyse de la stabilité du biais candidat.
1 5. Procédé selon la revendication 14 dans laquelle l'analyse de stabilité est déterminée à partir de la variation temporelle du biais candidat.
1 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit opérateur de changement de repère en rotation entre le repère mobile (S) et le repère de référence (E) comprend une matrice de rotation (RsiK ) entre le repère mobile (S) et le repère de référence (E).
1 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit capteur est un magnétomètre ou un accéléromètre
1 8. Système de détermination itérative d'un biais {bM, bA) d'un capteur de mesure (M, A), d'un champ physique vectoriel (B, G) sensiblement continu, dans un repère de référence (E), le dit capteur (M, A) étant lié en mouvement à un repère (S), mobile dans le repère de référence (E), le système comprenant :
- des moyens d'estimation d'une valeur de biais dans le repère mobile (S),
- des moyens de correction de la mesure du capteur (M, A) de ladite valeur estimée de biais dans le repère mobile (S),
- des moyens de transformation de ladite mesure corrigée du repère mobile (S) dans le repère de référence (E), à partir d'un opérateur (RsiK ) de changement de repère en rotation entre le repère mobile (S) et le repère de référence (E), et
- des moyens de formation d'un critère représentatif d'une variation de ladite mesure corrigée transformée.
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