Modélisation et estimation par filtrage non linéaire de l'attitude d'un projectile à partir de magnétomètres

Estimation and modelling of the attitude of a projectile using non linear filtering from magnetometer sensor

• Auteur / Autrice : Sébastien Changey
• Direction : Patrick Boucher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Balistique

Filtre de Kalman

Résumé

Le problème posé dans le cadre de cette thèse est de déterminer en temps réel l'attitude d'un engin par rapport au sol, en utilisant les données provenant de capteurs qui mesurent les projections du champ magnétique terrestre, selon 3 directions liées à l'engin. Dans une première partie, il a été nécessaire de mettre en place une modélisation complète de l'attitude de l'engin. Celle-ci s'est effectuée d'après les équations de la mécanique qui ont été approximées à partir de connaissances a priori sur le comportement. Cette première partie a abouti à l'obtention d'un modèle relativement simple et précis, permettant la réalisation de filtres temps réel. Dans une seconde partie, nous avons mis en place des algorithmes de filtrage non linéaires, permettant d'extraire l'attitude de l'engin. Cette estimation se déroule en deux temps, de part la conception du modèle. Tout d'abord il est nécessaire de déterminer la position et la vitesse du projectile de manière plus ou moins précise. Puis l'estimation de l'attitude autour du vecteur vitesse peut s'effectuer. La modélisation et les algorithmes de filtrage ont été testés en simulation, à partir de l'évolution réelle de l'attitude de l'engin. Les résultats montrent que l'on peut estimer une attitude de l'ordre du milliradian. L'originalité de ce travail réside dans la modélisation à la fois simple et complète d'un engin volant et dans le fait que c'est la première fois que les équations complètes de la balistique sont mises en place dans un filtre. De plus, les filtres aboutissent à une combinaison entre filtre de Kalman étendu et filtre utilisant la propagation de particules.

The problem is the real time estimation of a projectile attitude, based on measures of the earth magnetic field given by a three-axis magnetometer sensor embedded on the projectile. In the first part, a complete modelling of the projectile attitude was developed. It was based on mechanical equations of ballistic. All equations were used and approximated, according to a priori knowledge of the projectile evolution. This first part concludes on an accurate and simple model, computable in real time. The second part was about non linear filtering to extract attitude information from magnetometer sensors. According to the model conception, the attitude estimation is done in two steps : a first rough estimation gives the position and the orientation of the velocity vector of the projectile. Then, attitude can be estimated from theses data and from sensor measures. The models and the algorithms have been tested on simulation, using real data of the projectile attitude evolution. The results show that milliradian attitude can be estimated with non-linear equations and approximations, with good accuracy. The originality of this work is due to the simple but complete modelling of the projectile attitude. It's the first time that the ballistic equation is used in a real time filter. The studied algorithms merge an extended Kalman filter and a filter using particles propagation.