Presentation of a concept for robust indoor navigation. The concept is based on three key elements: - the use of an absolute geographical reference - the hybridisation of complementary technologies - specific motion models. This concept is illustrated by the means of two applications: the urban displacement of blind people and the indoor guidance of fire-fighter

Gilliéron, PY

Renaudin, V

Presentation of a concept for robust indoor navigation. The concept is based on three key elements: - the use of an absolute geographical reference - the hybridisation of complementary technologies - specific motion models. This concept is illustrated by the means of two applications: the urban displacement of blind people and the indoor guidance of fire-fightersTOP

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Robust pedestrian navigation for challenging applicationsValérie RenaudinPierre-Yves GilliéronEcole PolytechniqueFédérale de LausanneLaboratoire de TopométrieWorkshop LCPC: Localisation précise pour les transports terrestresParis, 16 juin 2009Sommaire• Problématique de la navigation pédestre• Exigences de navigation– Pompiers– Personnes malvoyantes• Concept de Navigation• Réponses technologiques – MEMS (navigation à l’estime)– MEMS + tags RFID– MEMS + carte• Bilan et perspectivesProblématique• Un statut ambigu– Dimension essentielle dans la mobilité des personnes, mais enjeu secondaire dans l’organisation des déplacements– Le piéton est vulnérable et l’accès aux espaces publics reste problématique pour les personnes handicapéesLes choses changent…lentement– Les initiatives de mobilité durable se multiplie et la notion de mobilité douce devient une réalitéProblématique• Caractéristiques de la marche– Elle n’a rien de technique– C’est un moyen de déplacement simple– Elle permet une grande souplesse de déplacement– Elle est associée à de multiples activités– Elle est liée à une expérience multisensorielle– Elle résulte de l’influence des forces physiques• Questions– Place de la technologie vs simplicité ?– Rôle de la technologie vs capacité du piéton ?Problématique• Performances critiques des systèmes– Radio navigation• Environnements urbain et intérieur: hostiles à la propagation des signaux• Faible disponibilité du signal• Le corps humain eut faire écran à la propagation• Risque élevé d’interférences– Infrastructure• Les bâtiments et infrastructures: utopie de prévoir un équipement spécifique à la navigation• Selon les applications, il est nécessaire d’être indépendant d’une infrastructure (ex. urgences, pompiers) – Précision• Exigences élevées compte tenu de l’environnement construit– Disponibilité de données cartographiquesExigences de Navigation• Pompiers– Environnement• Zone (urbaine) restreinte• Construit, intérieur• Plusieurs niveaux• Perturbé et dégradé– Situation• Urgence• Terrain/bâtiment pas connus a priori• Déplacement en équipe et liaison avec un chef• Déplacements relativement courts (50-200m)• Orientation par rapport au bâtiment• Localisation relative des membres de l’équipeExigences de NavigationPompiers: fonctions principales « Fil d’Ariane »• Localiser une équipe dans un bâtiment/pièce• Déterminer la posture d’une personne• Guider la personne vers une sortie • Se déplacer dans un environnement sans visibilitéPerformances attendues• Précision– Horizontal: 1 à 3m (largeur d’un couloir) , fréquence 1Hz– Vertical: Identification de l’étage• Intégrité– Haute: typique des applications d’urgence et secours– Une posture immobile après 30s déclenche une alarme– Système autonome de navigation, indépendant d’une infrastructureExigences de Navigation• Personnes malvoyantes– Environnement• Urbain, grands complexes (bâtiments, transports)• Multimodal (transports publics)• Sensoriel (bruit, odeurs, température)• Sécurisé ou dangereux– Situation• Parcours connus, effectués quotidiennement• Exploration de nouvelles zones• Apprentissage, ergothérapie• Degré de handicap et capacité de locomotion très variablesExigences de NavigationPersonnes malvoyantes: fonctions principales « Guide virtuel »• Se localiser par rapport à des points d’intérêt ou de décision• Découvrir/apprendre un nouvel itinéraire• S’orienter dans un grand espace (hall de gare)• Localiser et être averti des dangers principaux Performances attendues• Précision– Horizontal: variable suivant les situations • 1 à 3m (largeur d’un trottoir), fréquence: variable– Orientation: • Guidage durant le trajet: qq degrés • Personne à l’arrêt: 20 degrés (localiser un POI dans une certaine direction)• Intégrité– Moyenne: typique des applications d’aide à la navigation– Le système de navigation vient en appuis aux méthodes classiques d’aide à la locomotion (canne, bande rugueuse, écholocation,…)Exigences de NavigationConcept de navigation• Réponse technologique adaptée face aux exigences du domaine d’applications • Eléments clés– Recours à une référence spatiale absolue– Hybridation de technologies complémentaires afin d’augmenter la disponibilité– Association à des modèles de mouvements spécifiques à la marche du piétonConcept de navigationConcept de NavigationUtilisation d’une référence spatiale• Environnements urbains et intérieurs• Développement croissant de la cartographie– Modèles spécifiques au déplacement des piétons• Emplacements caractéristiques pour le recalage du système de navigation• Association de la position à des contenus– Location Based Services (LBS)Concept de NavigationHybridation de technologies complémentaires• Combinaison de sources de données non corrélées– Positions, orientation– Accélération, Vitesse, distance parcourue• Typologie de systèmes– Dépendant d’une infrastructure (radio)– Autonomes ou embarqués (capteurs MEMS)Source: EPFL, Renaudin V., Indoor Navigation of Emergency Agents, European Journal of Navigation, 2007Comparaison des méthodes de localisation utilisée en indoor - Technologie - Méthode - Précision - Avantages - LimitesConcept de NavigationRéponses technologiques- Systèmes de radiolocalisation: précision vs environnement et disponibilité- Systèmes dépendants d‘une infrastructureConcept de NavigationModèles de mouvements spécifiques• Description des cycles de marche du piéton (biomécanique)• Identification de paramètres: vitesse max, accélération, force centripète,…• Recherche de conditions limites– Le piéton ne peut pas changer rapidement de position ou de vitesse– L’accélération est nulle sur un court laps de temps• Equations de conditions permettant le filtrage d’observationsConcept de NavigationHybridation Référence spatialeMouvements spécifiques AutonomieMEMS (estime) r aRFID a rCarte a rRéponses technologiquesRéponses technologiques pour l’urbain et l’intérieurMEMS: PrincipePrincipe• Typologie de la marche• La gravité induit des mouvements spécifiques• Identification des forces principales• Architecture matérielle: MEMS– Mono capteur ou distribuée– Accéléromètres– Capteurs magnétiques– Gyromètres• Approche– Détection des pas– Distance parcourue– Orientation du trajet– Détection de postures particulièresRéponses technologiques• Analyse des signaux accélérométriques• Variation de la vitesse angulairedébut                milieu                    finPhase d’appuiMEMS: Biomécanique de la marchePhase oscillante Phase d’appuiMEMS: Architecture distribuée• Analyse de la posture– Approche distribuée– Debout, assis, couché• Aspects sécuritaire pour le pompier– Déclenchement d’une alarme en cas de posture immobile (couché, assis)Réponses technologiques3 gyroscopes3 accelerometers3 magnetometersMEMS: Architecture distribuée• Analyse de l’allure– Classification par logique floue– Marche en avant, montée d’escaliers, descente d’escaliers (en avant ou à reculons)• Déplacements– Estimation indirecte des déplacements horizontaux et verticaux provenant des capteurs inertiels– Relation entre variance/fréquence des accélérations et la longueur des pasRéponses technologiquesMEMS: Architecture distribuée• Analyse de l’orientation– Filtre de Kalman adaptif étendu– Signaux accélérométriques et des magnétomètres complétés de l’orientation dérivée des gyroscopes – Réponse adaptive sous différentes conditions dynamiques et selon les perturbations magnétiquesRéponses technologiquesMEMS: BilanSystème indépendant de toute infrastructurePlusieurs possibilités de montage des capteursTrès bonne estimation de la distance parcouruePossibilité de détection de postures/activitésErreurs grossières typiques des MEMSdrift, bias, scale factorL’erreur de position croit à chaque pasNécessité de recaler périodiquement les capteursRéponses technologiquesMEMS + tags RFID• Concept de localisation– Placement de tags RFID le long du parcours à des endroits stratégiques (porte)– Les coordonnées de tags RFID sont connues (BD bâtiment) et l’orientation du trajet au droit du tag– Les capteurs MEMS estime le parcours qui est périodiquement recalé aux passages des tags RFIDRéponses technologiques- E x t e n d e d  K a l m a n  F i l t e r  -M e a s u r e m e n t s  e a s u r e  e n t s MEMS + tags RFIDP r o c e s sP r o c e s s ENZ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥= ⎢ ⎥λ⎢ ⎥⎢ ⎥δθ⎣ ⎦x[ ]E N Z180°θ ±MEMS s,θRFID=δθ = θ − θ∑snRFID MEMS,ii 1s1nE s sin( )N s cos( )Z Zwwλδθ δθ= λ ⋅ ⋅ θ + δθ= λ ⋅ ⋅ θ + δθ= Δλ =δθ = −β δθ +&&&&&MEMSθ + δθSchéma du principe de couplageRéponses technologiquesMEMS + tags RFID350 m, 7 min 30 sec, 2 étagesAnalyse de performanceRéponses technologiquesMEMS + tags RFID• Découplage des mises à jour des informations de position et de cap• Problème rencontré: lorsque la personne tourne au droit d’un tag RFID– L’information d’orientation (cap) au droit du tag peut biaiser le calcul du trajet hybridePrécision inférieur à 5m Placement de tags RFID chaque 20 à 40 mAnalyse de performanceRéponses technologiquesRéponses technologiquesMEMS + tags RFID : BilanSystème simple et facile à déployerNe dépend pas d’une installation pré-existante liée à l’infrastructureRobustesse (Points fixes)Nécessité de connaître les positions des tagsEn principe, on peut s’appuyer sur les plans d’évacuation des bâtiments pour positionner les tagsDifficile à déployer suivant la typologie des espaces construits (grande halle)Réponses technologiquesMEMS + Carte• La base de données cartographiques est nécessaire pour associer une position estimée à un contenu thématique (hall, local, escaliers,…)• Construction d’un modèle de type Nœud - Arête– Avantage pour les applications de navigation– Principaux axes de circulation à l’intérieur des bâtiments– Portes représentées par leur projection ponctuelle sur l’axe central– Connexions extérieures entre les bâtimentsRéponses technologiquesMEMS + CarteModèle de base• Modèle 2D  + liens verticaux• Modélisation des escaliers et des ascenseurs• Informations spécifiques sur l’accès à certains locaux? Modèle développépour le campus EPFL (aide à l’orientation, calculs d’itinéraires)OutdoorIndoor10100‘000‘000Réponses technologiquesMEMS + CarteModèle spécifique• Modèle multimodal: réseaux piéton, transports publics,..• Connexions intérieur et extérieur des bâtiments• Intégration de points de repères, zones de dangers,..• Organisation en couches d’information: réseau de navigation, contexte, localisationGare: quais et intérieur des bâtimentsPlace de la gare: accès aux transports publics urbainsRéponses technologiques• Modèle conceptuel de données– Réseau de navigation• Arête, nœuds• POI• Points de repère – Couche de contexte• Passages fréquentés• Zones de dangers– Objets temporairesLAYER 1 - Réseau de navigationLAYER 2 – Couche contextuelle-est lié à0..*-debut à1-id_noeud-typeespace_constitutif-id_arete-typeacces_niveau-id_noeud-typePOI_contexte-id_arete-typevoie_circulation-id_lieu_passage-typelieu_passage-id_zone_danger-typezone_danger-id_limite-typelimiteFONCTIONAssurer la navigation sur un réseauFONCTIONFournir des informations contextuellesRéalisé par Thomas Delavy le 18 avril 2008-id_reseau_pietonreseau_pieton -id_reseau_troncons-type-nomreseau_troncons-id_noeudnoeud_contexte-id_noeud-typePOI_navigation-id_polygone-geompolygone-id_ligne-geomligne-id_PRpoint_repere1*1*-est lié à0..*-termine à1-id_noeud-geomnoeud-id_arete-geomareteLAYER 3 – Objets temporaires-id_direction-azimutdirection_potFONCTIONObjets utiles au système pour assurer le positionnement, le calcul d’itinéraire et le guidage-id_instructioninstruction-id_itineraire-origine-destination-id_positionitineraire-presente1..*-appartient à1-id_liste-id_noeudliste_noeud-est composé de1..*-appartient à*-id_position-geom-orientationpositionnement-contient1..*-appartient à1..*-id_message-id_positionmessage_descriptif-id_position-geombuffer -appartient1-possède1Travail de recherche EPFL de Thomas Delavy: modèle de données spécifiques pour les personnes malvoyantes (2008)MEMS + Carte• Superposition d’une trajectoire MEMS (brute) au contenu cartographique– Présence des éléments de contexte pour circonscrire la trajectoire– Usage de points de passage stratégiques (escaliers, escalators, portes principales)Zones de quai, fortes perturbations (magnétiques) sur les MEMSRéponses technologiquesMEMS + carte : BilanSystème indépendant de toute infrastructureRichesse du contenu cartographique: réseau, contexte, POIRéférentiel précis et fiableDisponibilité des donnéesCoût de saisie et de mise à jourAbsence de formats et modèles standardsFloor 1Floor 2Réponses technologiquesBilan et perspectives• Mobilité piétonne sécurisée– Besoins spécifiques et très variables: pas de système universel– La navigation vient en appuis aux usages « métiers »– La fiabilité du positionnement reste un défi majeur• Perspectives– Accroissement de la présence de capteurs: téléphones, habits, infrastructure,…– Amélioration des modèles de mouvements grâce aux tissus intelligents– Développement des produits cartographiques spécifiques à la navigation pédestre– Avènement des systèmes coopératifs de cartographieContacts: http://topo.epfl.ch Pierre-yves.gillieron@epfl.ch Merci de votre attention et bonne navigation

Robust Pedestrian Navigation for Challenging Applications

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