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Communication Science & technologie N° 11. juillet 2012 COST REALITEE AUGMENTEE : LOCALISATION D’UN MOBILE DANS UN ENVIRONNEMENT INDOOR Chakib NEHNOUH, Mustapha GUEZOURI & Mokhtar KECHE Department of Electronics, Faculty of Electrical Engineering, University of Science and Technology (USTO), email: [email protected] . Abstract: The purpose of a system of augmented reality (AR) indoors is to allow the field operator to move freely in their working environment, view and interact in real time, with data geo-referenced via wireless mobile devices. This requires the implementation of new 3D localization techniques, visualization and interaction, better suited to working conditions in indoor environment (brightness variation, characteristics of display devices used, etc.). This article presents a summary of the various technologies of indoor and outdoor location, design and implementation of a system to locate a mobile in a confined environment. Knowing that the implementation of an AR system (Augmented Reality) in confined environment with real issues whatsoever on the technological, methodological and industrial. Keywords; Augmented Reality, location indoor, outdoor location, WiFi, GPS. Résumé : L’objectif d’un système de réalité augmentée (RA) en intérieur est de permettre à l’opérateur de terrain de se déplacer librement dans son environnement de travail, de visualiser et d’interagir, en temps réel, avec des données géo-référencées via des terminaux mobiles communicants. Ceci nécessite la mise en œuvre de nouvelles techniques de localisation 3D, de visualisation et d’interaction, mieux adaptées aux conditions de travail en environnement indoor (variation de luminosité, caractéristiques des dispositifs d’affichage utilisés, etc). Cet article présente un état récapitulatif sur les différentes technologies de localisation indoor et outdoor, la conception et réalisation d’un système pour localiser un mobile dans un environnement confiné. Sachant que la mise en œuvre d’un système de RA (Réalité Augmentée) en environnement confiné présente de véritables enjeux que ce soit sur le plan technologique, méthodologique et industriel. Mots clés ; Réalité Augmenté, localisation indoor, localisation outdoor, Wifi / GPS. Communication Science & technologie N° 11. juillet 2012 COST Nomenclature DGPS: Differential Global Positioning System. GPS :Global Positioning System. GNSS : Global Navigation Satellite System. MEMS : Micro Electronic Mechanical System. NAVIG :Navigation Assistée par VIsion artificielle et Gnss. RFID : Radio Frequency Identification. UWB: Ultra Wide Band. INTRODUCTION Se déplacer est une nécessité vitale pour chaque personne. De tout temps, l'homme a développé des moyens techniques pour faciliter ses déplacements et augmenter son autonomie : depuis la carte et la boussole, les systèmes d'assistance à la navigation ont connu un formidable essor depuis les années 2000 avec l'avènement du GPS (Global Positioning System). Un système d'assistance à la navigation sous-tend de pouvoir se : localiser en continu, de planifier sa trajectoire puis d'être guidé en considérant les obstacles éventuels. Pour un véhicule, le GPS doit être associé à une carte numérique. Le réseau routier a été digitalisé avec une précision de quelques mètres (5 à 20m). Sur cette carte figurent les sens de circulation et aussi les principales infrastructures tels que les parkings, les hôtels, les hôpitaux, les gares, les aéroports, etc. Grâce à cette carte on peut choisir la route qu’on veut emprunter. Si le GPS est le système de référence pour localiser les véhicules roulants, navires ou avions, il ne peut suffire pour la localisation pédestre car sa précision de localisation est trop insuffisante et qu'il est souvent inopérant dans les espaces urbains ou à l’intérieur des bâtiments. D'autres technologies s'appuyant sur des réseaux de balises communicantes (WIFI, Zigbee, RFID...) sont en cours d'expérimentation. Mais à ce jour, aucune n'est encore opérationnelle et la localisation pédestre reste un challenge car la précision, la réactivité et la fiabilité recherchées pour un guidage en continu sont beaucoup plus importantes que pour la robotique. Dans cet article, nous proposons de faire une synthèse bibliographique des travaux récents menés sur ce sujet. 1. Après une présentation des spécificités de la localisation indoor et outdoor , la section 3 fera une revue non exhaustive des nombreuses techniques de localisations. La technologie utilisée pour la localisation indoor sera introduites en section 4. Enfin nous terminons par une conclusion. 2. APPLICATION DE LA LOCALISATION La localisation pédestre est la dernière arrivée dans le monde de la géomatique, ses domaines d’application sont multiples et variés. A titre non exhaustif, on peut citer les applications militaires, les interventions d’urgence, le tourisme ou le guidage des personnes malvoyantes. A. Militaire et intervention d’urgence Le GPS [1] était à l’origine un projet de recherche de l'armée américaine dans les années 1960, diffusé ensuite pour des fins civiles. La localisation de ses engins et chacun de ses soldats est stratégique et représente une importance primordiale pour toutes les armées. Cette capacité est déjà atteinte pour les véhicules mais elle est encore recherchée pour les soldats. B. Tourisme Outre sa fonction première de guidage, un système de localisation mobile pour les piétons permet de délivrer une information ciblée au porteur à un point précis de l’itinéraire, voire même selon une orientation donnée. On peut donc parfaitement imaginer qu’un tel système soit mis en œuvre pour des visites guidées, tout public voyant et non voyant, dans des villes ou des musées. Les moyens actuels de télécommunication mobile autorisent, à terme, un accès interactif à des informations complémentaires sur la cité (points d’intérêts, transports Communication Science & technologie N° 11. juillet 2012 collectifs, etc) par le géo-référencement du parcours sur une cartographie numérique existante : à chaque fois que le touriste passe à côté d’une zone, bâtiment, sculpture intéressante, le système lui donne les informations qui se voient intéressantes ou utiles. C. Guidage des aveugles Les personnes déficientes visuelles sont en attente d’outils de navigation et de guidage fiables pour faciliter et sécuriser leurs déplacements quotidiens pour une bonne intégration sociale (évitement des obstacles, guidage). Remplacer les outils de guidage traditionnel (chien guide) et de détection d’obstacles (canne blanche) demeure une ambition, qui s’agrandit tous les jours avec le progrès technologique. Plusieurs travaux de recherche et systèmes, ont été proposés afin d’assister la navigation des personnes malvoyantes dans les environnements inconnus. Des projets européens ont été proposés, dans ce cadre, comme le projet CASBLiP qui a abouti à la définition d'un système de traduction visuo-auditive, et d’autres qui sont encore en cours comme HAPTIMAP (Haptic, Audio and Visual Interfaces for Maps and Location Based Services) et NAVIG (Navigation Assistée par VIsion artificielle et Gnss) qui ont pour objectif d’augmenter l’autonomie des déficients visuels. 3. PRINCIPALES TECHNOLOGIES UTILISEES POUR LA LOCALISATION Avant de faire l’état de l’art de la localisation pédestre, cette section propose un panorama des technologies utilisées. La plupart s’appuient sur des systèmes communicants ou des capteurs déjà utilisés dans la navigation automobile. On peut distinguer deux catégories. La première met en œuvre un bouquet d’émetteurs ou balises et un récepteur (GPS, UWB, Wifi, Bluetooth, RFID, etc..). La seconde s’appuie sur un ou plusieurs capteurs autonomes (MEMS, caméra, etc..) sans dépendance à l’infrastructure. Systèmes communicants Le GPS (Global Positioning System) est un système qui offre le service de positionnement civil avec une précision de 5 à 15m. Il comprend au moins 24 satellites orbitant à 20200 km d'altitude. Ces satellites transmettent régulièrement les informations nécessaires au calcul de leur position au récepteur, qui peut, grâce à la connaissance de la distance qui le sépare des satellites, connaître ses coordonnées. Une des améliorations du A. COST GPS, qui a été proposée afin d’augmenter sa précision, est le GPS différentiel (en anglais Differential Global Positioning System : DGPS). Ce dernier utilise un réseau de stations fixes de référence qui transmet l’écart entre les positions indiquées par les satellites et leurs positions réelles connues. En recevant la différence entre les pseudo-distances mesurées par les satellites et les véritables pseudo-distances, le récepteur peut corriger ses mesures de positions. Mais cela n’apporte pas de solutions pour les inconvénients du GPS à savoir : la non opérabilité à l’intérieur des bâtiments, la dépendance à l’infrastructure ainsi que le manque de précision qui reste toujours faible même avec le DGPS pour la localisation pédestre. L’Ultra Wide Band (UWB) a été développé en 1960 pour des applications radars utilisant une communication sans fil. C’est une technique de modulation radio qui est basée sur la transmission d'impulsions de très courte durée, souvent inférieure à la nanoseconde. L’UWB peut être utilisé pour la communication comme il peut être utilisé pour le positionnement de mobiles aussi : les récepteurs, qui sont répartis dans l’environnement, peuvent évaluer la distance des balises UWB, situées sur les mobiles, par mesure du temps de propagation des signaux émis par ces balises, ce qui permet au système de calculer la position des mobiles par triangulation. Le Bluetooth ou standard IEEE 802.15, est un protocole de communication à courte portée de données. Il utilise une technique radio courte distance destinée à simplifier les connexions entre les appareils électroniques. La position d’un appareil mobile à l’aide de cette technologie est considérée comme le même que la cellule individuelle qu'il est en communication. L’inconvénient majeur d’un tel système de localisation c’est que sa précision dépend fortement du nombre de cellules installées et de leurs tailles. Le Wifi, aussi connu sous le nom du standard IEEE 802.11 est un protocole de communication qui est plus sophistiqué que le Bluetooth. La localisation par Wifi ressemble à celle par Bluetooth : elle approxime la position de la personne en se basant sur certaines caractéristiques de la propagation des signaux. L’inconvénient de la localisation par Wifi c’est qu’elle dépend d’une infrastructure relativement coûteuse dans l’endroit où on veut assurer le suivi d’une personne. Une des applications des ultrasons (onde mécanique et élastique, diffusée par un objet ou un corps dont la Communication Science & technologie N° 11. juillet 2012 fréquence est supérieure à 20 000 Hz) est la localisation d'un mobile : le récepteur fixé sur le mobile à localiser reçoit les ultrasons émis par plusieurs émetteurs, la différence des temps d’arrivée des signaux ultrasons lui permet d’estimer la distance qui le sépare aux émetteurs. En réitérant cette même mesure avec plusieurs émetteurs, on détermine précisément la position du mobile (qui est celle du récepteur) dans l'environnement. Le rayonnement infrarouge (IR), rayonnement électromagnétique, a été exploité dans plusieurs utilisations comme le chauffage, la vision nocturne, la communication, le contrôle d'authenticité de billets de banque, les détecteurs d’intrusions, etc. Il a été utilisé également pour la localisation : tout comme la localisation à ultrason, on se sert de la communication entre les émetteurs et le récepteur à infrarouge pour assurer la localisation. La radio-identification connu sous l’acronyme RFID (en l’anglais Radio Frequency IDentification) est une méthode d’identification automatique qui permet de mémoriser et de récupérer des données à distance en utilisant des marqueurs appelés « radio-étiquettes ». Ces radio-étiquettes, qui peuvent être implantées sur des objets ou même sur des corps humains, disposent d’une antenne et d’une puce électronique pour recevoir et répondre aux requêtes radio émises depuis l’émetteur récepteur. Un système de localisation pédestre basé sur la RFID permet de fournir la position de la personne lorsque cette dernière passe à côté d’une radio-étiquette. B. Capteurs Les systèmes micro électromécaniques est la traduction française de l’acronyme anglais MEMS. Ils sont caractérisés par leur structure micrométrique et assurent la fonction de capteur et/ou d'actionneur. Les capteurs qui utilisent cette technologie sont généralement les accéléromètres, les magnétomètres, les gyroscopes ou les baromètres. L’avantage des MEMS c’est qu’ils sont indépendants de toute infrastructure et ils sont fonctionnels dans tout environnement que ce soit à l’intérieur ou bien à l’extérieur. Cependant, leur inconvénient majeur c’est que leur performance est affectée par de nombreuses erreurs (biais et bruit) qui s’accumulent rapidement au cours du temps. Pour cette raison ils sont généralement couplés avec d’autres technologies pour assurer une localisation fiable. La caméra est un appareil électronique dont sa fonction principale est la prise de vues et/ou de séquences vidéo, COST mais qui peut être exploitée pour assurer la localisation pédestre aussi : grâce à une caméra embarquée et une cartographie, il est possible d’obtenir une localisation et une orientation instantanées et précises du porteur le long d’un itinéraire, à quelques dizaines de centimètres ou de degrés près. La cartographie peut être préenregistrée sur une mémoire visuelle comme elle peut être construite au fur et à mesure de l’avancement dans l’environnement. Cette technique s’appelle la localisation par vision artificielle. Un tel système de localisation coûte cher car il demande l’installation d’une infrastructure bien déterminée dans tous les régions où on veut assurer la localisation avec une précision suffisante. Et d’ailleurs c’est pour cela que la plupart de ces méthodes ont été testés seulement à l’intérieur des bâtiments. A la différence de la première famille, ce type de systèmes de localisation ne nécessite aucune infrastructure existante. Il repose généralement sur un système de navigation pédestre (PNS) porté par la personne qui est indépendant des régions dans lesquelles on veut assurer la localisation ou bien le suivi. Ce PNS peut être couplé avec une base de données cartographique des régions ou bien des bâtiments [2]. Ces derniers s’inspirent de la théorie des graphes et créent un modèle lien/noeud pour la construction de la carte du bâtiment. Ensuite, ils calculent la position de la personne grâce à un module de navigation pédestre développé au sein du laboratoire de l’EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) [3]. Le PNS comporte un récepteur GPS, un compas magnétique numérique, un gyroscope, un baromètre et des algorithmes embarqués DR (dead reckoning). Tous les capteurs sont installés dans une petite boîte pour qu’il puisse être fixé à la ceinture sans gêner son utilisateur. Les résultats préliminaires de ce prototype étaient encourageants mais son utilisation est restreinte puisque il est destiné seulement aux cas d’application à l’intérieur des bâtiments. Tous les systèmes cités, dans les deux approches, présentent soit des limitations de précision (GPS, MEMS), ou bien de portée c'est-à-dire ils ne peuvent pas être utilisés à la fois à l’intérieur et à l’extérieur (GPS), soit des coûts d’installation élevés (RFID, Infrarouge). Face à ces limitations, l’hybridation est une solution alternative pour une localisation précise à l’intérieur comme à l’extérieur par un système autonome bas-coût. Quel que soit le système de positionnement, le principe est qu’un appareil connecté au WiFi (PDA, ordinateur portable, puces RFID actives, etc..) envoie Communication Science & technologie N° 11. juillet 2012 une onde à une ou plusieurs bornes wifi réceptrices. Cette onde analysée, différents mode de calculs permettent ensuite de localiser l’appareil. Pour localiser avec le Wifi, il existe une technique de macro localisation et deux techniques de micro localisation : Une macro localisation identifie le point d’accès le plus proche de mon objet. Une micro localisation localise l’objet par rapport un ou plusieurs points d‘accès. Pour les techniques micros localisation il y a : a. Le calibrage : on commence par mesurer un étalonnage du signal Wifi dans un bâtiment. Un algorithme compare ensuite la force du signal reçu par une ou plusieurs balises Wifi avec l’étalonnage pour donner la localisation de l’émetteur. b. La triangulation : un point d’accès mesure son éloignement du client en utilisant plusieurs points d’accès dont les positions sont fixes, on peut alors déduire la position des clients. La mesure de l’éloignement peut être réalisée à partir de la force du signal (RSSI) ou la vitesse de l’onde. Le système de localisation répond à 2 besoins : Empêcher qu’un bien ou qu’une personne ne s’éloigne d’une zone, comme il permettre à un bien ou une personne de se faire localiser en cas de problème (agression, incendie, etc...) 4. LOCALISATION INDOOR A. Conception du système de localisation indoor Cette partie contient les objectifs et la conception générale du système. Le système doit répondre à trois objectifs : - le dispositif doit être en mesure de déterminer avec précision son emplacement dans le bâtiment. - Guider l’utilisateur vers la destination finale. - L’appareil doit disposer d’une interface sensible. Ces objectifs seront atteints grâce à la conception et l’intégration d’un certain nombre de sous systèmes. Ces systèmes sont résumés comme suit : Positionnement Navigation Cartographie Interface utilisateur Localiser l’utilisateur à l’intérieur Déterminer le chemin optimal vers la destination estimer la position correspond dans la carte Faciliter l’accès à touts les fonctionnalités COST Base de données Base de données qui contient tout les lieux du bâtiment Chaque sous système à ses propres spécifiques. Le système se compose de cinq blocs comme l’illustre la figure ci-dessous : Base de données Interface utilisateur Cartographie Navigation Positionnement Figure 1. Schéma conceptuelle du système. Le bloc base de données prend l’état de l’environnement et fournit des informations aux autres sous système. La cartographie est nécessaire pour créer la structure du bâtiment et identifier le modèle de propagation des signaux. Affichage des informations, emplacement actuel et les différentes directions pour se rendre à la direction finale se trouve dans le sous système interface utilisateur. Pour la couche matériel il s’agit notamment du chipset Wifi, l’accéléromètre et le compas magnétique, les informations provenant de ces capteurs est converti pour être traitées par le sous système positionnement. Dans le sous système positionnement deux méthodes sont utilisées afin de déterminer la position de dispositif, le système de navigation par inertie et la puissance du signal. Les informations de ces deux sous systèmes combinées pour avoir une approximation de la position de l’appareil. Cette information ensuite est adaptée pour calculer l’itinéraire jusqu'à la destination finale. Le dernier bloc est le bloc navigation qui permet de gérer l’algorithme de routage. Le système de navigation inertielle sera utilisé pour détecter des changements dans la position en mesurant l’accélération du dispositif et l’orientation en 3 D une Communication Science & technologie N° 11. juillet 2012 estimation de l’évolution de la vitesse de déplacement est obtenue. Architecture du bâtiment Cartographie Graphe de routage Couche matériel Wifi Positionnement Système da navigation inertielle Figure 2. COST d'adresses. La plupart sont maintenant équipés d'appareil photo numérique et de GPS et peuvent lire des mp3 et des vidéos ainsi que des fichiers dans divers formats (word, pdf, ...). Il existe à l’intérieur d’un Smartphone une puce GPS (Global Positioning System) qui permet de détecter la position du téléphone par satellite. Cette détection de la position est appelée géolocalisation. Le wifi est un protocole de communication sans fil pour relier plusieurs terminaux (ordinateur, téléphone, etc.…). Pour les Smartphones, le principe est le même que sur un ordinateur traditionnel, il suffit d’être à proximité d’une borne wifi, de la trouver grâce à une application du téléphone et de s’y connecter. Schéma de différents sous systèmes. La mise en œuvre de l’algorithme de Dijsktra est dans la classe Graphe de routage . La classe Graphe contient également la liste des nœuds qui peuvent être consultées par l'algorithme de routage. L'entrée de l'algorithme de routage est l'identification du noeud source et l'identification du noeud de destination. La sortie de l'algorithme est le coût du plus court chemin. Ce chemin stockées dans un tableau par identifications des noeuds visités. Figure 4. Différents téléphones smartphone. Le téléphone utilisé est un appariel portable smartphone avec écran tactile et six boutons physique (voir figure 3) . Bouton Menu Ecran tactile Menu Bouton défilement Menu Bouton retour enu À l'écran d'accueil de l'application, l'utilisateur aura deux options: voir la carte de l'immeuble, la navigation .L'utilisateur peut démarrer chaque option en appuyant sur le bouton à l'écran par le biais de l'interface à écran tactile. En cliquant sur le bouton, l'utilisateur sera redirigé vers l'écran en onséquence de cette fonction. La partie suivantes décrive ce que l’utilisateur peut effectuer dans chaque option ( figure 5 : état des transitions ). Le bouton Direction permettra à l’utilisateur de trouver le plus court chemin pour aller d’un endroit à l’intérieur du batiment. Le bouton voir affiche la carte du batiment et finalemnt le bouton répertoire permet à l’utilisateur un accés à la bases de donnés. Figure 3. Le téléphone utilisé smartphone. Le Smartphone, littéralement téléphone intelligent est également appelé ordiphone en français. Ce terme est préconisé par la Commission Générale de Terminologie et de Néologie mais l’appellation Smartphone reste couramment utilisée. Un Smartphone est un téléphone disposant des fonctions similaires à celles d'un assistant numérique personnel (PDA). Les fonctions les plus courantes concernent l'accès à Internet, le courrier électronique, la gestion d'emploi du temps et de carnet Répertoire De / à Accueil Routage Cartographie Figure 5. Etat des transitions . Chemin Communication Science & technologie N° 11. juillet 2012 Menu Principal Carte du bâtiment Direction Répertoire Figure 6. Le menu principal de l’application. Le répertoire ou l’annuaire permet à l'utilisateur d'accéder à la base de données qui contient toutes les informations sur les salles dans le bâtiment. La Direction permet à l'utilisateur d’entrer la source et la destination pour obtenir des instructions sur la façon d'y arriver. La carte du batiment est une vue oû l’utilisateur peut avoir la totalité de l’architecture. Les données seront affichées sur elle, c.à.d les informations de localisation avec les nom des salles. Le chemin pour aller d’un endroit à l’intérieur du bâtiment est afficher sur la carte avec une ligné fléché indiquant la direction vers la destination finale, dans ce cas l’utilisateur peuvent uitiliser le bouton de défilement pour afficher la totalité de la carte ( voir figure 7). Salle N° 3.1 Visualisation du chemin Position actuel Salle N° 3.1 Figure 7. La carte du bâtiment (ITO- Institut de Télécommunications d’Oran ) . B. Mise en oeuvre du système L’application est entièrement implémenté en Java et exécuté sous le système d'exploitation Android de Google. Androïd est le système d’exploitation développé par Google et distribué gratuitement aux constructeurs de Smartphones. Il est présent sur plusieurs marques de Smartphones tels que Sony Ericsson, HTC, LG, Samsung et d’autres. Google propose pour développer des applications sous Androïd, un SDK gratuit et téléchargeable sur le site de Google : http://developer.android.com/index.html. L'application est un multi sous système filetée de programmation COST orienté objet. Les INS, le positionnement WiFi et algorithmes d'intégration de positionnement sont tous mis en œuvre comme une distribution de probabilité discrète en utilisant une structure à deux dimensions des données. L'application peut aider l'utilisateur à déterminer sa position actuelle et à trouver un chemin jusqu'à la destination souhaitée. Ainsi l'utilisateur peut également parcourir le répertoire, voir la carte et la recherche d'un itinéraire entre les différents emplacements à l'intérieur du bâtiment. 5. CONCLUSION Le développement de ces techniques a permis une approche novatrice pour le défi de positionnement et de navigation intérieure qui est plus difficile à mettre en œuvre avec les appareils mobiles. L’un des aspects le plus important de ce projet est la précision globale. L'application travaille actuellement avec une précision modérée, ce qui est insuffisant, mais pas idéal. Il ya plusieurs directions pour la recherche à venir relatifs à ce projet. Une interface web pourrait être créée qui permettra à un utilisateur de télécharger les informations de mappage à partir d'un site distant. En ajoutant cette fonctionnalité semble l'application peut atteindre un nouveau niveau de disponibilité pour les utilisateurs. Un autre sous-système est utile qui pour la mise en point permet de convertir une carte en un format utile pour l’exploitation et simulation. Afin de maximiser l'utilisation de ce système et assurer une continuité de service un service en ligne permettant de télécharger le carte d’une ville et exploiter Google Map pour aider l’utilisateur de naviguer à l’intérieur du bâtiment comme à l’extérieur. Ce système peut être développé et commercialiser. L'application peut être mise en œuvre dans des lieux importants tels que les centres commerciaux, campus universitaires, les musées ou les hôpitaux. L'idée du système de navigation intérieure est de permettre aux gens de se déplacer dans des lieux inconnus. REFERENCES [1] [2] [3] C. Kee et all, “ Centimeter Accuracy Indoor Navigation,” GPS World ., November 2001. PY Gilliéron, Daniela Büchel D., Spassov I.,Merminod B., Indoor Navigation Performance Analysis, ENC GNSS, 2004. Ladetto Q., Merminod B., Digital Magnetic Compass and Gyroscope Integration for Pedestrian Navigation, 9th St-Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, 2002.