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Le principe de la navigation inertielle



  1. #1
    minibus

    Le principe de la navigation inertielle

    Bonjour !
    J'essaie de comprendre le fonctionnement de la navigation inertielle, mais j'avoue avoir quelques difficultés, et la doc que l'on peut trouver sur le net traite surtout des caractéristiques techniques des centrales inertielles. Je m'intéresse surtout au principe de base : comment à partir de six gyroscopes peut-on repérer une position ?
    Si quelqu'un peut me donner quelques explications, je suis preneur !
    Merci beaucoup par avance !

    -----


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  3. #2
    LPFR

    Re : le principe de la navigation inertielle

    Bonjour.
    Une centrale de navigation inertielle mesure les accélérations dans les trois directions perpendiculaires et intègre deux fois les valeurs obtenues pour calculer la position.
    Comme l'objet peut tourner et changer d'orientation il y a deux solutions: soit on ajoute des accéléromètres pour mesurer l'accélération angulaire soit on utilise une plateforme stabilisée (à l'aide de gyroscopes) qui garde son orientation dans l'espace, même quand le véhicule change d'attitude.
    Les systèmes inertiels sont très peu précis à long terme, car on intègre deux fois les erreurs (et le bruit). Il faut compter quelques 50 km d'erreur sur une traversée de l'Atlantique par un 747. Juste de quoi ne pas rater une balise radio.
    Au revoir.

  4. #3
    NicoEnac

    Re : le principe de la navigation inertielle

    Bonjour,

    Très bonne explication LPFR. Je me permets de rajouter que pour compenser ces erreurs augmentant avec le temps, l'hybridation centrale inertielle - GPS est maintenant utilisée en aéronautique. La centrale ayant une dérive lente mais stable et le GPS pouvant générer des écarts de mesure très rapides se compensent, la centrale régulièrement "recalée" sur une position GPS dont on peut mesurer la pertinence.
    "Quand les gens sont de mon avis, il me semble que je dois avoir tort."O.Wilde

  5. #4
    minibus

    Re : le principe de la navigation inertielle

    Bonjour,
    Merci pour l'explication, mais j'ai encore une question :
    Une centrale de navigation inertielle mesure les accélérations dans les trois directions perpendiculaires et intègre deux fois les valeurs obtenues pour calculer la position.
    Par rapport à quel reférentiel calcul-t-on l'accélération ? Par exemple dans le cas d'un avion ?
    Merci encore !

  6. #5
    LPFR

    Re : le principe de la navigation inertielle

    Citation Envoyé par minibus Voir le message
    ...
    Par rapport à quel reférentiel calcul-t-on l'accélération ? Par exemple dans le cas d'un avion ?
    Bonjour.
    Par rapport à un référentiel inertiel quelconque (ils sont tous équivalents), mais dans l'orientation de départ de la plateforme inertielle.
    Au revoir.

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #6
    maclag

    Re : le principe de la navigation inertielle

    Bonjour à tous,

    Mes 2 cents:

    On ne parle pas de "gyroscope à 6 axes", ça n'a pas beaucoup de sens.
    Il existe deux principaux types de capteurs pour les mesures inertielles:
    * Les accéléromètres. Ils mesurent, comme leur nom l'indique, les accélérations, donc on doit intégrer deux fois le résultat pour avoir une position, avec le lot d'erreurs précédemment cité.
    * Les gyroscopes (enfin, on devrait dire gyromètres, ou capteurs gyroscopiques), qui eux mesurent la VITESSE ANGULAIRE. On n'intègre leur résultat qu'une seule fois pour obtenir une orientation.
    Ces deux capteurs sont combinés en 3XL + 3gyro pour avoir 6 degrés de liberté.

    Dans le domaine grand public (smartphones, etc.), on ajoute de plus en plus des boussoles électroniques, qui peuvent donner une orientation un peu plus absolue ("un peu plus", parce qu'ils sont limités à un angle par rapport au champ magnétique terrestre).
    On peut avoir alors un système à 9 degrés de liberté (3XL, 3gyros, 3 capteurs magnétiques)

    Dans l'aéronautique ou la navigation marine, on a plutôt recours à des "boussoles gyroscopiques", qui sont essentiellement des roues "lourdes" tournant à grand vitesse, et qui vont être influencées par la rotation terrestre. Elles sont plus précises et moins sujettes à perturbations que les boussoles magnétiques, mais nécessitent une correction dépendante de la vitesse.

    Comme précisé aussi: une centrale inertielle dérive dans le temps. C'est physique, elle peut dériver plus ou moins suivant sa qualité, mais elle dérivera. Donc un bon GPS pour recaler tout ça ne fait pas de mal.
    On peut aussi utiliser le GPS pour calculer l'orientation et la vitesse (mesure régulière dans le temps).

    Enfin, pour la navigation automobile, le futur petit plus sera... un altimètre!
    Celui-ci permettra de dire si la voiture est sur route plate ou en train de prendre une rampe d'échangeur. Ça permettra au GPS d'éviter de se planter pendant les premiers mètres dans les échangeurs compliqués (routes passant les-unes au-dessus des autres), surtout si en passant sous une autre rampe il perd le signal GPS. On le rajoute aux précédents capteurs!

    On peut alors envisager des systèmes à 10 degrés de liberté, ce qui permettra au vendeurs de processeurs spécialisés (essentiellement des DSP) d'augmenter leurs ventes pour effectuer les calculs compliqués utilisant tout ce bazar

    Le domaine de l'algorithmique pour tous ces capteurs est un sujet extrêmement riche:
    - combinaison de boussole électronique compensée par accéléromètre pour retrouver l'orientation (un accéléromètre est aussi influencé par la gravité)
    - intégration du gyroscope recalé par la boussole électronique
    - un plus compliqué: compensation des perturbations magnétiques pour la boussole magnétique (ex: passez sur un vieux pont en ferraille qui s'est chargé magnétiquement au cours des années et observez la petite balade du Nord magnétique vue par un capteur non compensé...).

    Bref, en dehors des specs des capteurs, il y a énormément de choses auxquelles s'intéresser!

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  10. #7
    minibus

    Re : Le principe de la navigation inertielle

    Bonjour,
    Pour reprendre ma question : je crois avoir compris que l'on mesure les accélérations dans le référentiel lié à la centrale (non galiléen, par exemple dans un avion), puis que l'on projette l'accélération dans un référentiel lié à la terre (dont l'origine est à la position de départ de l'avion pour reprendre l'exemple de l'avion) avant d'intégrer deux fois, ce qui finalement donne bien la position.
    Est-ce exact ?

    Par rapport à un référentiel inertiel quelconque (ils sont tous équivalents), mais dans l'orientation de départ de la plateforme inertielle.
    Oui mais si l'on considère un avion, le référentiel terrestre peut-il vraiment être considéré comme galiléen (pour les longs vols par exemple) ?

  11. #8
    LPFR

    Re : Le principe de la navigation inertielle

    Bonjour.
    Vu que l'incertitude de ces systèmes est de quelques 50 km après 6 h de vol, il est évident que l'altitude calculée ne présente aucun intérêt pour un avion.
    Dans ce cas on peut se désintéresser à l'altitude et travailler à court terme comme si la terre était un repère inertiel et calculer la vitesse et la position uniquement horizontalement.
    Et effectivement, l'accélération horizontale est la projection de celle mesurée par la plateforme.
    Et j'insiste que le terre ne peut pas être considérée comme un repère inertiel que pour des périodes petits par rapport aux 24 h.
    Au revoir.

  12. #9
    calculair

    Re : Le principe de la navigation inertielle

    Bonjour

    Voila un lien pour des infos generales sur les centrales inertielles

    http://www.google.fr/#q=precision+ce...2f18d13ea73219

    et

    meteosat.pessac.free.fr/.../Centrale_inertielle_G_Laser001 .ppt -
    En science " Toute proposition est approximativement vraie " ( Pascal Engel)

  13. #10
    minibus

    Re : Le principe de la navigation inertielle

    Et j'insiste que le terre ne peut pas être considérée comme un repère inertiel que pour des périodes petits par rapport aux 24 h.
    Oui, mais justement pour un vol de 6h par exemple, 6h n'étant pas négligeable devant 24h comment peut-on considérer la terre comme un repère inertiel ?

  14. #11
    LPFR

    Re : Le principe de la navigation inertielle

    Citation Envoyé par minibus Voir le message
    Oui, mais justement pour un vol de 6h par exemple, 6h n'étant pas négligeable devant 24h comment peut-on considérer la terre comme un repère inertiel ?
    Bonjour.
    Je répète: la terre peut être considère comme un repère inertiel pour des courtes durées. Pendant ces courtes durées on peut calculer le déplacement sur la surface terrestre (pas dans l'espace).
    Pour calculer la distance parcourue par les voitures du "24 heures du Mans", vous prenez la vitesse horizontale des voitures et la multipliez par le temps.
    Au revoir.

  15. #12
    minibus

    Re : Le principe de la navigation inertielle

    Je répète: la terre peut être considère comme un repère inertiel pour des courtes durées.
    Oui. On est d'accord.
    Pendant ces courtes durées on peut calculer le déplacement sur la surface terrestre (pas dans l'espace).
    Oui, d'accord. Prenons donc un avion : par cette méthode on peut calculer son déplacement horizontal dans le référentiel terrestre supposé galiléen, et c'est ce qui est fait dans les centrales inertielles (comme expliqué ici pages 1 et 5). Mais là est mon problème : lorsque l'avion effectue un vol de 6 heures par exemple, le principe coince car 6 heures ne sont pas négligeables devant 24h... Comment fait-on dans cette situation pour obtenir la trajectoire avec la centrale inertielle ?

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  17. #13
    LPFR

    Re : Le principe de la navigation inertielle

    Citation Envoyé par minibus Voir le message
    Oui. On est d'accord.

    Oui, d'accord. Prenons donc un avion : par cette méthode on peut calculer son déplacement horizontal dans le référentiel terrestre supposé galiléen, et c'est ce qui est fait dans les centrales inertielles (comme expliqué ici pages 1 et 5). Mais là est mon problème : lorsque l'avion effectue un vol de 6 heures par exemple, le principe coince car 6 heures ne sont pas négligeables devant 24h... Comment fait-on dans cette situation pour obtenir la trajectoire avec la centrale inertielle ?
    Bonjour.
    Toutes les secondes (ou les microsecondes) on mesure l'accélération horizontale et on calcule la novelle position à partir de la position et la vitesse précédente sur la surface de la terre. Pendant cette seconde ou microseconde le référentiel peut être considéré comme inertiel.
    On peut faire ça pendant des siècles. Évidemment les erreurs s'accumulent.
    Au revoir.

  18. #14
    Tingsten

    Re : Le principe de la navigation inertielle

    Bonjour à tous,

    Petit up sur ce post pour poser une nouvelle question sur la navigation inertielle.
    Comme précédemment expliqué dans ce post, l'intégration des accélération/gyros implique des erreurs de navigation.
    Cependant quelque chose me choque : le bruit des capteurs (technologie Mems) est bien sur imprévisible mais l'intégrer est équivalent à le moyenner et donc, cela devrait rendre son impact très relatif....
    Alors pourquoi constate t'on tant d'erreur (à moins que ce ne soit "que" de l'incertitude)?

    merci d'avance pour vos réponses.

  19. #15
    calculair

    Re : Le principe de la navigation inertielle

    Bonjour,

    Tu as la precision des capteurs qui est importante dans le calcul des coodonnées.
    Si il y a des intgrations dans le processus de calcul, on somme les erreurs.

    Quant au bruit, il crée une incertitude supplementaire. Celle-ci est inferieure a l'amplidude du bruit.

    C'est pour eviter l'accumulation des erreurs que l'on recale les centrales et que l'on compare les mesures à des repères specifiques
    En science " Toute proposition est approximativement vraie " ( Pascal Engel)

  20. #16
    Tingsten

    Re : Le principe de la navigation inertielle

    Citation Envoyé par calculair Voir le message
    Bonjour,
    Quant au bruit, il crée une incertitude supplementaire. Celle-ci est inferieure a l'amplidude du bruit.
    J'aurai tendance à penser que l'incertitude est de l'ordre de 3σ (sur l'accélération que tu integres). Donc cette incertitude grandit très vite avec le temps.
    Quand aux erreurs des capteurs, si elles sont systématiquement dans le même sens alors oui intégrer aggrave le problème, si elles sont aléatoires, l'intégration devrait moyenner.

  21. #17
    calculair

    Re : Le principe de la navigation inertielle

    Bonjour
    Les erreurs systematiques tu peux les supprimer. Il suffit de les mesurer. Par contre il reste des erreurs aléatoires et celle-ci, pour les supprimer c'est beaucoup plus difficile.... ou avoir de la chance!!!!
    En science " Toute proposition est approximativement vraie " ( Pascal Engel)

  22. #18
    maclag

    Re : Le principe de la navigation inertielle

    Bonjour à tous!

    La mauvaise nouvelle, c'est que le bruit n'est pas seulement en haute fréquence (dans ce cas, il est facile à supprimer), mais aussi en basse et très basse fréquence.
    On ne parle d'ailleurs plus de bruit, mais de dérive.
    Le zéro du capteur va changer légèrement au cours de la mesure. Il va dépendre de la température (si, même un capteur compensé en température n'aura jamais un zéro complètement invariable en température, on réduit le problème, on ne le supprime jamais). Il va changer par lui-même au cours du temps, on ne peut rien y faire!

    C'est pour ça que les capteurs hautes précisions sont si chers: il est "facile" de faire un accéléromètre, il est beaucoup plus difficile de le faire avec des specs telles que "moins de 1mG de dérive par heure". C'est encore plus difficile pour les gyros!

    Du reste, même pour un temps court, vous ne compenserez jamais complètement le zéro, vous allez définir une calibration qui sera meilleure que celle sortie d'usine, mais il restera toujours un petit quelquechose (ne serait-ce que le pas de compensation. ex: je peux régler le 0 à +/- 1mG, ce qui est déjà bien, et bien il peut me rester 0.5mG d'erreur. Faites le calcul, vous allez voir la belle dérive accumulée...)

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