Utilisation du GPS en acquisition de données : Que vous devez garder à l’esprit ?

Cet article décrit de manière générale la technologie GPS et la façon dont il est utilisé pour l’enregistrement de données dans de nombreuses applications mobiles. L’article parle également des différents types de capteurs qui peuvent être raccordés au QuantumX, de la procédure de réglage et de quelle manière effectuer un post-traitement des données pour une analyse des mesures.

Acquisition et analyse de données de géolocalisation

Les données de géolocalisation  sont clairement un avantage pour analyser des données acquises à bord d’un véhicule roulant. En effet, grâce à la géolocalisation, vous obtenez des rapports des essais avec une traçabilité des résultats. La vidéo est un aussi autre avantage majeur, permettant d’avoir une vue parfaite des données à partir d’enregistrements inattendus.

Le QuantumX est l'appareil idéal pour faire des acquisitions de données à la fois en laboratoire et sur le terrain. La capacité de pouvoir lire les informations issues des GPS et de pouvoir traiter les données de positionnement avec précision est un atout important dans la mesure de grandeurs mécaniques, électriques et thermiques à bord d’un véhicule. Il est possible de mesurer des contraintes, pressions, accélération, couple, forces, température, déplacements et autres informations CAN.

L'acquisition des données GPS permet aux ingénieurs de corréler facilement des résultats de mesure avec la position exacte du véhicule et son environnement comportemental. Il est donc plus facile d’extraire des données relatives à des positions précises sur une certaine section du parcours ou de la piste d'essai et de comparer ensuite avec d’anciens relevés.

Qu’est-ce qu’un GPS ?

GPS signifie Global Positionning System. A l'origine, le GPS fonctionne avec le système de  satellites NAVSTAR des Etats Unis. Il existe également le système russe nommé GLONASS. Le système de l’Union Européenne s'appelle GALILEO (il est annoncé pour 2014, et sera achevé d'ici 2019). La Chine travaille sur un système appelé COMPASS (système de navigation BeiDu-2, prévu en 2015, achevé d'ici 2020).

Le capteur GPS reçoit des satellites tournant autour de la terre les informations suivantes :

  • La position selon les axes x, y et z (longitude, latitude et altitude)
  • Le temps (aussi en tant que signal direct codé PPS)
  • Le nombre de satellites visibles

Quelques capteurs GPS offrent certaines informations calculées complémentaires comme la vitesse. En raison du développement proche de la technologie silicium, il est évident que les capteurs GPS fourniront de plus en plus d’information à l'avenir. Les unités de mesure inertielles modernes « fine tune » ou l’interpolation de l'information GPS avec des capteurs  locaux additionnels comme l'accélération, les compas gyroscopiques et la température  fournissent des données angulaires supplémentaires (lancement, glissade, lacet) avec un débit plus élevé.

Pour le moment les capteurs GPS ont besoin d'une vue claire du ciel, par exemple en l’installant sur le dessus du toit d'un véhicule avec une vue à 360° du ciel de façon à être visibles par un maximum de satellites.

Le logiciel enregistreur peut alors calculer la distance parcourue, la direction prise et l’accélération faite pour composer les données de positionnement.

Le GPS est employé pour calculer avec précision la latitude et la longitude d'une position spécifique. Le système GPS est basé sur un réseau constitué de plusieurs satellites qui gravite autour de la  terre par deux fois toutes les 24 heures. L'orbite précise des satellites et leur utilisation d’horloges très précises permettent de faire une triangulation tout aussi précise de la position des véhicules. Chaque satellite transmet leur position exacte et le temps très précis. Le temps extrêmement précis requis pour le GPS est fourni au satellite par les horloges atomiques de l'Observatoire Naval des États-Unis. Cela permettant de fonctionner de manière entièrement synchronisée.

Qui utilise le GPS ?

Le GPS est disponible sous de nombreuses formes pour la navigation de n'importe quel type de véhicule et pour des activités ludiques comme la pratique de la randonnée ou le vélo tout terrain. Les téléphones et les appareils photo numériques intelligents modernes sont de plus en plus complets et mobiles en offrant des fonctions GPS internes. Les météorologistes utilisent aussi le GPS pour les prévisions météorologiques. Les géologues trouvent le GPS fort utile dans leur méthode pour mesurer et étudier avec précision les mouvements tectoniques lors de des tremblements de terre.

Associé au système d’acquisition de données QuantumX, le GPS permet d’analyser le mouvement des véhicules testés : voitures, camions, autobus, motos, engins de TP, machines agricoles, trains, avions, etc.

Pour les GPS, il existe des capteurs inertiels haute dynamique et des capteurs internes disponibles qui s’adressent à des applications plus spécifiques destinés à la surveillance et validation cinématiques de véhicules selon des essais normalisés selon la norme ISO4138, ISO7401, ISO7975 ou ISO3888-2 plus connus sous le nom de « elk test ».

Le QuantumX est un instrument de mesure et d’essai universel, il permet le raccordement de tous types de capteurs et de données à la fois analogiques et numériques. Il permet aussi de traiter des signaux CAN, CCP ou XCP-on-Can comme par exemple la « vitesse de la roue avant gauche»,  parallèlement et en corrélation avec la position du véhicule (GPS) et avec les signaux vidéo.

Comment fonctionne le GPS ?

Le GPS est un système de navigation fonctionnant à partir du système de 29 satellites (au minimum 24 satellites actifs). Le nom complet du système NAVSTAR-GPS est « Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System ». Initialement, ce système de navigation a été développé par le Ministère de la Défence des Etats Unis. Le système a été lancé officiellement en 1995. Tous les satellites se déplacent selon une orbite bien définie de façon à ce que le GPS puisse recevoir les signaux de 6 à 10 satellites à chaune de ses positions à travers le monde avec un minimum de 4 satellites en même temps. Chaque satellite envoie au GPS des informations codées C/A à 1575.42 MHz dans la bande de fréquence civile L1. En plus de la position et du temps, un code satellite spécial est également envoyé pour le différencier clairement des autres satellites. Le récepteur GPS décode ces signaux (CDMA). Le code P/Y extrêmement précis employé par les militaires n'est pas rendu public.

Si le capteur GPS reçoit des signaux d’au moins 3 satellites, la position peut être analysée précisément en latitude et longitude. Avec 4 satellites, il est possible de déterminer l'altitude (hauteur au-dessus du niveau de la mer). Dans l'aviation, la « hauteur » concerne  généralement la distance entre le capteur et la terre. Plus il y a de satellites, plus le positionnement est exact. Quand le QuantumX et le GPS sont connectés ensemble pour la première fois, ils commenceront à rechercher les satellites disponibles. Ce processus peut prendre jusqu'à 5 minutes. Une fois le GPS initialisé, il prend ensuite moins d’une minute pour obtenir tous les signaux. Cela est vérifié par le logiciel.

Quelle est la précision du GPS ?

L'exactitude du positionnement dépend de nombreux de facteurs. Normalement, plus il y a de signaux satellites meilleur sera le signal de réception. La position des satellites et la puissance du signal reçu sont également un facteur décisif en termes d'exactitude. Un objet situé entre le satellite et le GPS, par exemple un édifice très haut peut occasionner une inexactitude, les signaux étant moins recevables ou réfléchis. La précision d'un GPS standard est en général à 10m près.

Relier un GPS au QuantumX

Deux types d'interfaces peuvent être employés pour relier un GPS au QuantumX.

  • RS232 / DSub-9
    • Interface QuantumX : RS232 directement sur l'enregistreur CX22 / CX22B-W
    • Transmission des données selon la norme NMEA 0183 
    • Taus de rafraichissement : 1…5 Hz
  • CAN bus
    • Interface QuantumX : MX840 / MX840A (voie n° 1) ou MX471 (voie n° 1 à 4)
    • Transmission des données via CAN bus
    • Taux de rafraichissement : 20 – 200 Hz

GPS en RS232 (protocole NMEA 0183 )

Possibilités :

  • NAVILOCK NL-403P avec support magnétique   
  • GARMIN GPS18-5 Hz
  • GARMIN GPS35 tracpak
  • VBSS 5/10/20/100 Hz

Ces modèles GPS disposent d’une antenne incorporée et offrent un taux de rafraichissement de 1à 5 Hz et la consommation de puissance est faible. L'interface RS232 (femelle) avec  connecteur série DSub 9 peut être branchée directement à l'appareil enregistreur QuantumX. Le récepteur peut dépister jusqu'à 12 satellites. Ce type de capteur est idéal lorsque le déplacement du véhicule est lent ou bien s’il s’agit de véhicules moins agile comme les trains et les bateaux.

Le câble d’alimentation peut être équipé d’une prise type allume cigarette (6…40V DC). Le capteur est fourni dans un boitier résistant à l'eau et fonctionne dans la plage de température -30… 80°C

NOTE: EGPS-5HZ de HBM Somat est équipé d'un connecteur mâle M8.

Câblage RS232 / NMEA (DSub-9)

 

 

DSub-9

Racelogic

VBSS

GARMIN
GPS18-5 Hz

GARMIN

GPS35 tracpak

Pin / Signal

Signal

Signal

Signal

1

-

red

red

2 / RX

8 / TX

white

white

3 / TX

1 / RX

green

blue

4

-

-

-

5

9

-

-

6, 7, 8, 9

-

-

-

GPS en USB

Il existe également des GPS avec prise USB qui peuvent travailler avec le logiciel  catmanEASY. Veuillez en tenir compte en passant votre commande.

Réglage pas à pas d’un GPS avec RS232

  1. Relier le GPS - RS232 à votre CX22 / CX22B-W
  2. Démarrer le logiciel du système d'acquisition et ouvrir la fenêtre “Configure device scan” 

  1. Activer l'onglet "Manual devices” choisir “New device”

  1. Configurer le port de la façon suivante, si rien n'est précisé dans la fiche technique du GPS 

  1. Cocher “Consider manual devices"

  1. Lancer “New DAQ project”
  1. Tous les appareils sont automatiquement scannés. La fenêtre suivante montre la liste des voies du module QuantumX et les signaux GPS : latitude, longitude, altitude, vitesse et temps provenant du GPS –RS232.

NOTE: Au moins un module QuantumX est nécessaire pour fournir le signal temps. Tous les signaux GPS sont alors liés à ce groupe temps.

GPS en liaison CAN

Fondamentalement n'importe quel GPS proposant ce bus standard peut être relié au QuantumX.

Les modules MX840, MX840A et MX471 propose une connexion CAN bus haute vitesse selon l’ISO 11898. Les vitesses du bus peuvent être ajustées d’après la fiche technique. Le format de données peut être Motorola ou Intel. Avec le MX47a, le bus de terminaison peut être commuté par l'intermédiaire du logiciel. Il doit être soudé dans la prise quand vous utilisez un MX840 ou MX840A.

Ce type de GPS peut être employé pour les essais de véhicule rapides qui exige aussi de la précision comme les essais d’automobiles, de voitures de sport ou de motos.

En général, mesurer la dynamique des véhicules (verticalement et horizontalement) est une application typique du GPS

Configuration pas à pas d’un GPS en CAN

  1. Raccorder le GPS sur le bus CAN du
    MX471: voie 1 à 4 ou
    MX840 / MX840A voie 1
    Note: ne pas oublier de fermer le bus CAN coté QuantumX (pour MX840A dans la connectique, pour MX471 par la commande logicielle)
  2. Aller dans la base capteurs : importer le dossier dbc du GPS concerné
  3. Aller dans la liste des voies en faisant un Copier-Glisser de ce dossier dbc dans la voie en question. configurer le CAN sur 500 kBit, terminaison sur ON
  4. Vous pouvez en option visualiser les signaux sur un afficheur numérique montrant la position dans un format géographique : degré.min.sec

NOTE: Au moins un module de QuantumX est nécessaire pour fournir le signal temps. Tous les signaux GPS sont alors liés à ce groupe temps.

Acquisition et analyse des données avec géolocalisation

Dépannage avec GPS-CAN de Racelogic

Si les données du GPS sont absentes, analyser le GPS en employant le logiciel VBSS.

  1. Connecter le GPS à votre PC via la prise RS232 et vérifier si celui-ci fonctionne correctement.

  1. Ouvrir le tableau CAN, vérifier et modifier les paramètres suivants si nécessaire :
    Vitesse de transfert : 500 kBit (par défaut)
    Terminaison du bus CAN : Active Termination = ON, côté capteur avec une résistance de 120 ohms
    Identification CAN : 0x301 … 0x307
    Format du message d'identification CAN standard sur 11 Bit
    Après les changements, prendre note et cliquer sur “Write Settings” pour les rendre permanents.

  1. Configurer la tension de sortie du GPS (prise BNC) pour la vitesse du véhicule (comme montré, l'accélération latérale, l'accélération longitudinale ou sur gyrophare (impulsion numérique au dépassement d'une ligne "virtuelle" Départ / Arrivée et à partir des données GPS pour calculer le temps de course parcouru).

Analyse post-process avec positionnement ou géolocalisation

Vous pouvez visualiser et analyser automatiquement et mathématiquement toutes vos données à l'aide d’un outil puissant de post process graphique comme GlpyhWorks de HBM.

Le package Synchronized Displays vous offre une panoplie d'outils pour afficher les données  GPS entièrement tracées sur Microsoft MapPoint ou en utilisant la fonctionnalité exportation vers Google Earth.

Une multitude de représentation peuvent montrer n'importe quelle entrée GPS ou les données du bus, avec une position exacte et même une vidéo et cela de manière synchronisée.

Un simple clic sur Analysis Reports permet d’éditer en fichier PDf des centaines d'essais pratiques, ce qui fait de cela un outil parfait pour aider les ingénieurs de mesure.

Photo de GlyphWorks : pour visualiser et analyser les données par rapport à la base temps ou fréquence

Photo de GlyphWorks : pour analyser les données au cours d’un trafic graphique avec des tâches mathématiques. De gauche à droite : base de données, calcul de la vitesse, du temps d’accélération et vitesse, calcul FFT, carte géographique

Photo de  GlyphWorks : Rapport entièrement édité automatiquement (c’est un exemple) montrant tous les aspects de votre essai : métadonnées, données, GPS et position, analyse, etc.

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