Couverture ElectroniqueS n°127

L'association d'accéléromètres, de gyroscopes Mems ultrasensibles et de récepteurs GPS de grande précision permet de gérer avec une efficacité accrue les exploitations agricoles. L es systèmes de navigation par satellite font désormais partie de notre vie quotidienne. Dans la voiture pour nous aider à atteindre notre destination en évitant les embouteillages, ou faciliter le repérage dans une ville inconnue, le GPS nous fait gagner un temps appréciable et nous épargne bien du stress. Dans la plupart des cas, le degré de précision que nous fournit le GPS est suffisant pour l'usage que nous en avons. Cependant, le nombre d'applications potentielles ne cessant d'augmenter, une précision et une répétabilité des informations de localisation bien plus grandes sont parfois nécessaires. C'est le cas, entre autres, des applications agricoles, en particulier lorsqu'il est question de semer, de fertiliser ou de récolter. Couvrir de grandes surfaces, dont les reliefs sont parfois variés, avec un tracteur semi-autonome (direction assistée) reprenant les mêmes traces entre sillons que lors du semis, nécessite effectivement une extrême précision. Les raisons qui président au choix de cette méthode sont l'augmentation de la densité des semailles (et donc du rendement) et, en association avec d'autres applications de gestion par satellite des récoltes et de l'humidité du sol, la possibilité d'irriguer et d'épandre pesticides et engrais de la façon la plus économique possible. Mais parvenir à un tel degré de précision implique de relever deux défis techniques. Sur cet exemple, le tracteur roule sur un chemin en pente. On voit qu'il faut alors compenser la position exacte du centre du tracteur, et non pas celle de l'antenne située au centre du toit de l'habitacle. Accéléromètre et gyroscope sont nécessaires pour mesurer les trois axes de déplacement du tracteur, à savoir le roulis, le tangage et le lacet. En premier lieu, il faut améliorer la précision des données dérivées du GPS, afin d'obtenir une précision reproductible meilleure que ±15 cm. Ensuite, il s'avère impératif de déterminer les changements de relief et la position exacte du tracteur sur le sol. Améliorer la précision de positionnement est possible grâce à une technique dite de la phase des porteuses du GPS ( Carrier-Phase Enhancement , CPGPS), également appelée cinématique en temps réel ( Real Time Kinematic , RTK). Dans cette approche, la phase de la porteuse du signal GPS est mesurée, plutôt que l'information temporelle contenue dans le signal. Cependant, la mise en application de RTK pose un certain nombre de difficultés pour comparer la différence de phase des signaux. Une méthode usuelle pour arriver à ses fins consiste à utiliser un modem radio bon marché, qui retransmettra l'information temporelle à partir d'une station de base, afin de couvrir une surface donnée. Dans les régions à forte densité agricole, les fournisseurs de systèmes de guidage pour tracteurs disposent d'un réseau de stations de base pour que l'agriculteur soit en mesure d'exploiter au mieux les fonctions de localisation de précision. Nombre d'entre eux annonce une précision reproductible inférieure à 3cm avec la technique RTK. Un problème de terrain Si connaître la position du tracteur avec un tel niveau de précision est impressionnant, un problème crucial se pose néanmoins. Pour tirer parti des données GPS, il faut savoir précisément où se situe l'antenne. Généralement, elle est placée au centre du toit de la cabine. Sur la figure 1, on comprend bien qu'il faut compenser la position exacte du centre du tracteur au sol plutôt que celle de l'antenne. Dans cet exemple, le tracteur roule sur un chemin en pente, mais il pourrait tout aussi bien grimper une légère côte, de telle sorte qu'il faudrait aussi ajuster sa position. Voilà une application idéale pour les accéléromètres et les gyroscopes Mems. Les avancées récentes de la technologie Mems ont apporté des améliorations significatives en termes de stabilité, de bruit et d'immunité aux chocs mécaniques, autant de paramètres vitaux pour des applications agricoles de précision comme, par exemple, le déplacement d'engins lourds sur un terrain accidenté. Il est dès lors envisageable de mesurer de façon très précise la déclivité, le sens de déplacement et le changement de pente. GPS, accéléromètre, gyroscope: la combinaison gagnante L'accéléromètre mesure l'angle d'inclinaison par rapport à la gravité terrestre. En raison de son principe de mesure, il est aussi perturbé par le mouvement naturel de la machine et par son déplacement, des facteurs qui nuisent à la précision de l'inclinaison. Le gyroscope mesure quant à lui la vitesse angulaire (en degrés par seconde) et permet donc de détecter le changement de l'angle d'inclinaison. Dans les applications pour engins mobiles comme les gros tracteurs, le seul emploi d'un accéléromètre ou d'un gyroscope ne suffit pas pour fournir une inclinaison précise. Seuls la combinaison des deux et un algorithme avancé le permettent. Le principe consiste à profiter de l'accéléromètre pour mesurer l'angle d'inclinaison statique, alors que la sortie du gyroscope est mise à profit pour compenser le déplacement du tracteur transmis dans le signal de l'accéléromètre, et ainsi autoriser la mesure de l'inclinaison dynamique. La réunion des données GPS et RTK, ainsi que le traitement des données acquises par l'accéléromètre et le gyroscope sont effectués par une unité de mesure inertielle (IMU, Inertial Measurement Unit ). On intégrera par exemple dans cette IMU un capteur combinant unaccéléro-mètre et un gyroscope Mems, tel qu'un SCC2000 de Murata. La sortie de l'IMU pilotera le mécanisme de direction du tracteur, soit par le biais de commandes hydrauliques, soit par une servocommande utilisant un accouplement mécanique avec le volant du tracteur. Il est probable que l'IMU mettra en œuvre des algorithmes de filtrage de Kalman pour prendre en compte le bruit, les estimations de position et la dérive. Ce type de capteur mixte présente de bonnes caractéristiques en termes de stabilité vis-à-vis des variations de température, et ce sur toute la plage automobile de - 40°C à +125 °C, de sensibilité aux chocs et de stabilité de la polarisation. Il se compose d'un accéléromètre triaxial faible g, d'un capteur de vitesse angulaire décliné sous deux formes (détection selon l'axe X ou Z) et d'une interface numérique SPI 32 bits. Un filtre passe-bas, dont la fréquence de coupure est de 10 Hz ou 60 Hz, peut être sélectionné via l'interface SPI. La plage du gyroscope est de ±125°/s, avec une sensibilité de 50 LSB/°/s. La dérive en température de l'accéléromètre est typiquement de ±6mg pour le capteur 2g, de ± 12 mg pour la version 6g. Pour le gyroscope, elle est de l'ordre de ±0,5°/s pour les versions de 125°/s selon les axes X & Z. Le gyroscope offre une instabilité de polarisation à court terme de 1°/h pour le capteur 125°/s selon l'axe X, de 2°/h pour le modèle 125 °/s selon l'axe Z. Le module Mems se présente sous la forme d'un boîtier à 24 broches ( voir photo ci-dessus ) de 15 x 12,1 x 4,35 mm, occupant très peu de place sur la carte. Un module de la série SCC2000 de Murata combine accéléromètre et gyroscope Mems dans un petit boîtier. Lorsqu'il conçoit une IMU pour un véhicule autonome ou semi-autonome, le développeur doit toujours étudier avec soin les capacités de traitement des erreurs des capteurs considérés. Le fait que la direction et, éventuellement, la vitesse de si gros engins agricoles soient contrôlées directement pourrait avoir des conséquences désastreuses si un composant de l'IMU venait soudain à générer des données invalides. Si le capteur Mems délivre des données erronées, le seul élément fiable est relatif au fait qu'il se mettra en échec sécuritaire et enverra des indicateurs d'erreur/de défaut à l'application hôte. A cet égard, les capteurs de la série SCC2000 sont mis en œuvre dans d'autres applications automobiles répondant à la norme de sécurité ISO26262 relative au logiciel. Il s'agit du châssis actif ou dynamique et de la protection en cas de retournement. Le capteur effectue un diagnostic d'autotest au démarrage afin de vérifier les fonctions critiques, puis contrôle en continu quelque 20 paramètres pendant toute la durée de fonctionnement. Le capteur Murata est aussi utilisé dans un certain nombre d'applications de guidage d'engins agricoles dotés d'IMU.

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