Méthodes de localisation en intérieur et choix pour Homecare

Les systèmes de localisation sont généralement classés en deux catégories [21] :

• systèmes passifs avec des dispositifs uniquement embarqués dans l'environnement ;

• systèmes actifs avec des dispositifs portés, associés parfois avec des systèmes passifs.

Comme nous l’avons remarqué à l’issue de l’expérimentation « PROSAFE étendue », il est difficile d’utiliser des systèmes passifs dans un environnement multi-utilisateurs car ces capteurs ne peuvent pas faire la distinction entre les personnes. Nous proposons donc une fonction d'identification/localisation à l’aide d’un système actif en complément de la détection passive, afin d’identifier et de suivre des patients à l’intérieur d’un établissement médicalisé pour assurer une surveillance en continu 24 h/24.

Dans cette partie, nous présentons les contraintes de déploiement en milieu hospitalier et un bref rappel sur les principales méthodes de localisation.

6.1. Les contraintes de déploiement en milieu hospitalier

Dans le cadre d’un déploiement en milieu hospitalier, le système de localisation doit répondre aux spécifications suivantes :

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• Déploiement simple et rapide : Une demi-journée d’installation est l’objectif fixé afin de ne

pas perturber le fonctionnement du service hospitalier.

• Ne pas nécessiter une formation spécifique du site : Le système doit pouvoir être déployé

sans connaissance particulière du site pour pouvoir être déplacé si nécessaire.

• Stabilité face aux changements structurels : Le site médicalisé peut évoluer au niveau

structurel (modification de l’agencement intérieur, travaux, etc.). Il est donc recommandé que la localisation ne soit pas perturbée par les changements structurels afin de ne pas solliciter de maintenance supplémentaire une fois le système installé.

• Bonne autonomie : Au niveau du système porté, l’autonomie de fonctionnement minimum

est fixée à 2 semaines pour faciliter son utilisation en limitant la maintenance qui est assurée par le personnel médical (changement de pile ou recharge de batterie).

• Coûts modérés: la solution qui sera déployée en institution doit faire l’objet d’une étude de

marché afin d’évaluer la possibilité d’une industrialisation.

Les systèmes de localisation en intérieur utilisent généralement quatre principes de base pour calculer la position d’un système mobile vis-à-vis de plusieurs balises déployées dans l’environnement dont les positions sont connues [21, 109] :

• la navigation inertielle ;

• la mesure d'angles (Triangulation) ; • la mesure de distances (Multilatération) ;

• la mesure de l’atténuation des signaux radio (Received Signal Strength Indication, RSSI).

6.2. Navigation inertielle

Le principe de base est de déterminer, à partir d’une position de référence, la vitesse et l’orientation du déplacement du dispositif pour déterminer sa position en temps réel [75]. Les systèmes de navigation inertielle récents utilisent des centrales inertielles regroupant accéléromètre, gyromètre et magnétomètre triaxiaux [60]. Le principal avantage d’un système de navigation inertielle est de proposer une estimation des déplacements de manière autonome pour un faible encombrement et coût. Néanmoins, les mesures des capteurs inertiels ou magnétiques dérivent au cours du temps et doivent donc être corrigées [110]. L’utilisation d’un système de navigation inertielle n’est pas adaptée à nos besoins à cause d’une faible autonomie énergétique, 5h avec une batterie de 1,2 Ah, engendrée par les calculs embarqués importants pour corriger les dérives [110].

6.3. Triangulation

L'emplacement du système est déterminé en mesurant plusieurs angles d’arrivée (Angle of Arrival, AoA) au niveau du système mobile par rapport aux balises [21]. Généralement des antennes ou capteurs sont utilisés au niveau du système mobile pour calculer la direction des signaux émis par les balises. On trouve également le principe inverse, avec les balises qui calculent les directions des signaux émis par le système mobile. Il est nécessaire de disposer d’un minimum de deux balises (B1, B2) pour connaître la position du mobile (M) à partir des angles d’arrivées (α, β) comme cela est

73 illustré sur la Figure 28. Cette méthode nécessite des dispositifs complexes et coûteux qui ne sont pas adaptés à nos besoins [111].

Figure 28. Principe de la Triangulation

6.4. Multilatération

La Multilatération permet de déterminer la position d’un système mobile par la mesure des distances entre le mobile et plusieurs balises. Généralement, trois mesures de distances (d1, d2, d3) sont nécessaires pour déterminer la position du système (Trilatération). Les mesures du temps d’arrivée (Time of Arrival, ToA) ou de la différence des temps d’arrivées (Time Difference of Arrival, TDoA) sont couramment utilisées pour fournir les distances entre le dispositif mobile et les balises.

6.4.1. Mesure d’une distance par ToA

Sur la base de la vitesse de propagation du signal, la distance entre l'émetteur et le récepteur peut être calculée en mesurant le temps de vol (Time of Flight, ToF) d’une onde électromagnétique (lumière ou radio) ou sonore (généralement ultrasonore) [112]. Cette méthode nécessite que les horloges de l'émetteur et du récepteur soient correctement synchronisées et suffisamment rapides dans le cas d’onde électromagnétique [113]. Ces contraintes imposent l’utilisation d’une unité de calculs de grande précision (FPGA ou microprocesseur). Cette méthode n’a donc pas été retenue car elle n’est pas adaptée aux systèmes utilisant des microcontrôleurs dont les horloges manquent de précision et dont les fréquences de fonctionnement sont limitées.

6.4.2. Mesure de distances par TDoA

Deux techniques sont utilisées pour calculer la différence des temps d’arrivée des signaux pour déterminer la distance :

1) La première technique nécessite que le mobile et les balises soient synchronisés pour calculer le TDoA et en déduire la position [114]. Soit le nœud mobile émet un signal unique dont le TDoA au niveau des balises peut être calculé (cas 1), soit les balises envoient simultanément les signaux de positionnement vers le mobile qui calcule sa propre position (cas 2). Figure 29 illustre les deux cas de mesure du TDoA avec synchronisation.

𝜶 𝜷 B1 B2 M 𝜶 _𝛃 B1 B2 M

74 Figure 29. Principe TDoA avec synchronisation

2) La deuxième technique ne nécessite pas de synchronisation. L’émetteur (mobile ou balise) envoie simultanément deux signaux qui possèdent des vitesses de propagation différentes [115]. Le récepteur (mobile ou balise) mesure la différence entre les temps d’arrivées des deux signaux et calcule la distance (Figure 30). Nous proposons d’utiliser cette méthode avec un système acoustique en complément du système TAG pour mettre en œuvre une méthode de localisation par Trilatération pour le suivi des activités à domicile (partie 8).

Figure 30. Mesure TDoA avec deux ondes dont les vitesses de propagation sont différentes

6.5. Atténuation du signal

La puissance radio du signal reçu (RSSI) diminue avec l'augmentation de la distance entre l’émetteur et le récepteur. Cette indicateur permet généralement de donner la qualité d’une liaison radio et peut être utilisé pour estimer la distance entre émetteur et récepteur [116]. L'avantage de l'utilisation du RSSI est qu'aucun matériel spécifique n’est requis. A partir de la mesure du RSSI, deux méthodes sont généralement utilisées en environnement « indoor » :

• la méthode « des k plus proches voisins » [117, 118, 119]; • la méthode « fingerprinting » [120].

6.5.1. Méthode « fingerprinting »

Cette méthode consiste à exploiter des positions de référence du mobile dans son environnement (cartographie de RSSI). Pour cela, le RSSI au niveau de chaque balise est mesuré en plaçant le mobile à plusieurs positions de référence dans l’environnement (base de données). Ensuite, lorsque le nœud mobile se déplace dans l’environnement, le RSSI est mesuré en temps réel afin de lui attribuer une position estimée par correspondance à la base de données [111]. Le déploiement de cette méthode est assez lourd, notamment l’étape de calibration sur place qui prend du temps. De plus, lorsque la configuration des lieux change, il est nécessaire de réaliser de nouveau l’étape de calibration. Cette

t₀ t₁ t₂ t_{3 t0} t₀ t₀ t₁ t₃ t₂ Cas 1 : Cas 2 : T = ToF1 – ToF2 ToF2 ToF1