Dans les applications robotiques modernes, la fiabilité de la navigation est un enjeu majeur. Que ce soit pour un robot autonome, un véhicule d’essai ou une plateforme de mesure mobile, la continuité de la position reste essentielle, même lorsque le signal GNSS devient instable ou inaccessible. Cependant, les systèmes GNSS/INS classiques atteignent rapidement leurs limites dans ces situations. Pour pallier ces faiblesses, les ingénieurs au sein de MicroStrain by HBK ont développé une approche hybride : associer les centrales inertielles GPS à des mesures radar, notamment avec le modèle 3DM-CV7-INS. Voyons en détails un exemple d’intégration d’un capteur radar de vitesse avec une centrale 3DM-CV7-INS.
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Navigation inertielle : le point sur les systèmes classiques
À mesure que les robots autonomes sont déployés dans des environnements de plus en plus exigeants, leurs systèmes de navigation doivent gagner en robustesse et en fiabilité, en particulier dans des situations où le signal GNSS est dégradé ou indisponible. Les systèmes GNSS/INS classiques ne répondent pas toujours à ces exigences de performance et nécessitent souvent l’ajout de capteurs d’assistance externes.
Le dernier système de navigation inertielle conçu par MicroStrain by HBK, le 3DM-CV7-INS, répond à ce besoin en intégrant une interface générique d’aide à la mesure externe pour améliorer les performances en cas de perte du GNSS. Cette interface prend en charge les mesures de navigation standard (position et vitesse GNSS), mais également des mesures orientées robotique telles que la vitesse dans le référentiel du corps ou la vitesse de roue.
Traditionnellement, les robots s’appuient sur des capteurs optiques tels que les caméras ou le LiDAR pour la perception et la navigation. Cependant, les progrès récents de la technologie radar mmWave ont fait du radar une alternative de plus en plus prisée. Le radar est simple, à semi-conducteurs, et reste performant face à des conditions environnementales difficiles (fumée, brouillard…) qui peuvent perturber les capteurs optiques.
En intégrant le CV7-INS à des mesures de vitesse issues d’un radar, la performance de navigation durant une interruption GNSS peut être considérablement améliorée. Cette approche intégrée permet de répondre à la demande croissante en systèmes de navigation fiables dans des environnements complexes, où les systèmes GNSS/INS classiques atteignent leurs limites.
À noter que le code du projet est disponible en open source.
Fonctionnement d'une centrale inertielle 3DM-CV7-INS
La centrale 3DM-CV7-INS est un système de navigation inertielle de classe tactique, compact et intégrable. Elle fusionne des mesures externes d’aide à la navigation (position et vitesse GNSS, etc.) au moyen d’un filtre de Kalman étendu (EKF) embarqué. Ce filtre combine les données issues des capteurs internes (IMU, capteur de pression, magnétomètre) avec des données synchronisées provenant de capteurs externes, tels qu’un récepteur GNSS.
Outre les mesures GNSS standard (position et vitesse globales), le CV7 prend également en charge une mesure de vitesse dans le repère du corps en 3D. L’exemple présenté ici montre l’intégration d’un capteur radar de vitesse, mais ce type de mesure peut aussi provenir d’autres capteurs de navigation tels que le lidar odométrique, la vision odométrique, le flux optique ou la vitesse de roue. »
Architecture du système
La centrale 3DM-CV7-INS est ici associée à un récepteur GNSS UBlox ZED-F9P et à un radar automobile Smartmicro DRVEGRD 152, via une interface ROS2. Le récepteur GNSS fournit les mesures de position et de vitesse globales, tandis que le radar délivre des nuages de points 4D (x, y, z, vitesse).
Ces nuages de points radar sont ensuite convertis en mesures de vitesse dans le repère du corps avant d’être transmis au 3DM-CV7-INS. L’ensemble est installé sur une plate-forme automobile d’essai, opérant dans un environnement peu urbanisé.
Prétraitement des données radar
Avant d’être exploités par le filtre de navigation du CV7-INS, les nuages de points radar doivent être transformés en mesures de navigation plus compactes.
À partir des coordonnées cartésiennes et de la vitesse radiale de chaque cible suivie, une estimation de la vitesse du corps est calculée. Un solveur non linéaire aux moindres carrés est ensuite utilisé pour estimer la vitesse et sa covariance de mesure associée.
Des modèles d’erreurs robustes sont appliqués pour réduire l’influence des valeurs aberrantes et des obstacles dynamiques dans l’environnement.
Précision de la mesure radar pour la vitesse
Pour évaluer la performance de mesure du radar, un système de référence a été utilisé par le biais de la centrale inertielle GPS haute précision GQ7-GNSS/INS à double antenne et à mode RTK.
En raison de la géométrie du nuage de points (la majorité des cibles étant alignées selon l’axe X du véhicule), l’observabilité des vitesses sur les axes Y et Z est réduite, entraînant une précision moindre sur ces axes.
| Axe | Précision |
| x | 0,09 m/s |
| y | 0,16 m/s |
| z | 0,35 m/s |
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Performances : comparatif entre une IMU seule et une IMU avec radar
Pour évaluer les bénéfices de l’assistance radar en conditions dégradées, des coupures GNSS ont été simulées en post-traitement. Une série de coupures de 60 secondes a été générée afin d’obtenir une estimation statistique des performances. L’algorithme EKF identique à celui exécuté en temps réel sur le CV7-INS a été utilisé pour retraiter les données dix fois, avec des fenêtres de coupure GNSS différentes.
Les figures 1, 2 et 3 suivantes présentent un scénario type simulant une coupure GNSS. Il permet de mettre en évidence la comparaison entre une solution inertielle libre, une solution assistée par radar, et la trajectoire de référence.
La figure 4 montre la déviation standard de l’erreur de position au cours du temps, pour les deux configurations de capteurs.
L’ajout de l’assistance radar a permis une amélioration de 93 % des performances de navigation pendant une interruption GNSS, par rapport à une solution purement inertielle.
Évaluation des performances en fonction de la durée de la panne GNSS
| 10s | 30s | 60s | |
| IMU seule | 1,77m | 6,74m | 25,84m |
| IMU + radar | 0,72m | 1,15m | 1,72m |
Conclusion
Cet exemple démontre que l’intégration de mesures de vitesse radar dans le filtre de navigation du CV7-INS améliore significativement les performances en cas de coupure GNSS, jusqu’à 93 % par rapport à une intégration inertielle libre.
Avec la croissance de la demande en systèmes de navigation autonomes fiables, l’interface d’aide flexible du CV7-INS permet d’accroître la précision et la continuité de la navigation dans des applications robotiques où les systèmes GNSS/INS traditionnels montrent leurs limites.
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Source : Enhancing Inertial Navigation System Performance with Radar (White Paper)
Auteur : Joel John, Software Engineer (MicroStrain by HBK)
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