AR022 – AccelRectification : redressement des accélérations véhicule

1. Contexte

Cet artefact part d’un besoin très concret dans tout pipeline télématique :

Comment passer d’accélérations IMU brutes, exprimées dans le repère capteur, à des accélérations « redressées » dans un repère véhicule / route, exploitables pour l’analyse de conduite et la validation de modèles ?

Trois briques se rencontrent ici :

• RS3 : génération de trajectoires et de signaux inertiels (accel/gyro) simulés à 10 Hz (voire plus) avec géométrie de route, conditions, événements.
• Chaîne de calibration IMU (Tedaldi 2014) : estimation des biais, échelles, non-orthogonalités sans banc de calibration, à partir de poses statiques.
• Telemachus : format pivot pour stocker synchroniquement trajectoire, orientation, IMU et événements dans un seul schéma cohérent.

AR022 « AccelRectification » a pour objectif de cristalliser ce pipeline sous la forme d’un artefact reproductible, réutilisable à la fois :

• pour les expériences RS3 (simu pure ou simu + données réelles),
• pour les papiers P002/P004 (fusion IMU/GNSS, MMKF),
• pour la compétence V001 (modélisation inertielle & calibration).

2. Objectifs de l’artefact

1. Définir clairement les repères utilisés :

   • repère capteur (IMU),
   • repère véhicule (longitudinal, latéral, vertical),
   • repère navigation / monde (NED ou ENU),
   • repère route (tangent, normal, vertical route).

2. Proposer un pipeline générique de redressement des accélérations :

   • calibration IMU (biais, gains, non-orthogonalité),
   • estimation de l’attitude (gyro + éventuellement GNSS / carte),
   • projection des accélérations dans le repère navigation,
   • suppression de la gravité,
   • projection finale dans le repère véhicule / route.

3. Décliner ce pipeline en plusieurs modes de complexité :

   • Mode A : IMU seule (gyro + accel) avec filtre complémentaire ou EKF inertiel simple.
   • Mode B : IMU + GNSS (cap, vitesse, inclinaison route) via RS3/Telemachus.
   • Mode C : projection sur référence route (RoadGeometry / RoadGenome) pour séparer effets route / conduite.

4. Fournir un artefact exécutable (notebook + fonctions Python) permettant :

   • de charger un trajet RS3/Telemachus,
   • d’appliquer le pipeline,
   • de visualiser les composantes longitudinales / latérales / verticales,
   • de comparer « brut vs redressé » sur quelques scénarios type (freinage, virage, dos d’âne, etc.).

3. Inputs & outputs visés

3.1. Inputs

• Un fichier Telemachus ou RS3 enrichi contenant :

  • trajectoire GNSS (lat, lon, alt),
  • orientation véhicule (yaw, pitch, roll) simulée ou estimée,
  • signaux IMU (accel tri-axes, gyro tri-axes),
  • éventuellement événements (freinage fort, virage serré, nid-de-poule…),
  • méta-données capteur (matrice de calibration IMU issue de Tedaldi 2014).

• Pour les expérimentations réelles :

  • traces brutes capteur (smartphone, boîtier télématique),
  • trajectoire map-matched (Newson/Hunter/Hansson),
  • profil de route (courbure, pente) issu de RoadGeometry / RoadGenome.

3.2. Outputs

• Séries temporelles d’accélérations redressées dans différents repères :

  • (a_\text{veh,long}), (a_\text{veh,lat}), (a_\text{veh,vert}),
  • accélérations dans le repère route (tangent, normal, vertical),
  • éventuellement séparation « dynamique conduite » vs « dynamique route ».

• Visualisations types :

  • comparatif accel brut / redressé,
  • signatures typiques (freinage, virage, changement de voie, dos d’âne),
  • histogrammes / spectres pour calibrer des seuils de détection événementielle.

• Un rapport court (section « Discussion » dans ce même A022.md) explicitant :

  • les limites de chaque mode (A/B/C),
  • les hypothèses (trajet bien calibré, absence de dérive importante, qualité GNSS),
  • les liens avec les modèles et filtres utilisés dans P002/P004.

4. Pipeline proposé

4.1. Étape 0 : calibration IMU (Tedaldi 2014)

• Utiliser la méthode Tedaldi 2014 pour estimer la matrice de calibration complète :
  • biais accel/gyro,
  • facteurs d’échelle,
  • non-orthogonalité.
• Produire une matrice 6×6 ou un bloc accel (3×3) + bloc gyro (3×3) exploitable dans le pipeline.
• Stocker ces paramètres dans le payload Telemachus associé au capteur.

Cette étape pourra être simulée (RS3) ou appliquée à des données réelles si un jeu de poses statiques est disponible.

4.2. Étape 1 : estimation de l’attitude

Plusieurs variantes à prototyper :

• A1 – Filtre complémentaire simple :

  • intégration gyro,
  • remise à zéro lente via la verticale donnée par l’accélération moyenne.

• A2 – Inertiel + GNSS :

  • EKF ou UKF avec état orientation + biais gyro,
  • corrections via vitesse GNSS, cap GNSS (ou heading dérivé de la trajectoire),
  • contrainte « véhicule roule sur une route » (pitch/roll liés au profil route).

• A3 – Inertiel + carte :

  • utilisation de la géométrie de route (pente/courbure) comme pseudo-mesure,
  • cohérence avec RoadGeometry / RoadGenome.

L’artefact n’a pas vocation à réinventer tous les filtres, mais à proposer 1 à 2 implémentations de référence pour chaque grande famille (complémentaire, inertiel+GNSS).

4.3. Étape 2 : projection dans le repère navigation + suppression gravité

À partir de l’attitude estimée, on projette les accélérations du repère capteur vers le repère navigation ((n,e,d)) ou ((x,y,z)) monde, puis on retire la gravité :

1. ( a_\text{nav} = R_{\text{nav}\leftarrow\text{imu}} \cdot a_\text{imu} )
2. ( a_\text{lin} = a_\text{nav} - g \cdot \begin{bmatrix}0 \ 0 \ 1\end{bmatrix} ) (si (z) vertical)

On obtient ainsi l’accélération linéaire du centre de masse dans le répertoire navigation.

4.4. Étape 3 : projection dans le repère véhicule / route

On construit ensuite les repères :

• Repère véhicule :

  • (x) : longitudinal,
  • (y) : latéral,
  • (z) : vertical.

• Repère route :

  • tangent à la trajectoire (direction de la vitesse),
  • normal horizontale,
  • vertical route.

À partir de la vitesse et de la trajectoire (GNSS ou simulée RS3), on construit une base orthonormée locale et on projette (a_\text{lin}) dedans. Cela permet de distinguer :

• composante longitudinale (accélération / freinage),
• composante latérale (virage),
• composante verticale (bosse, dos d’âne, chaussée dégradée).

5. Scénarios RS3 à illustrer

Quelques scénarios types à couvrir dans l’artefact :

1. Freinage fort en ligne droite

   • Montrer la montée de la composante longitudinale,
   • comparer brut vs redressé (avant/après gravité + projection).

2. Virage constant avec vitesse croissante

   • Relier accélération latérale à la courbure RS3 / RoadGeometry,
   • vérifier la cohérence (a_\text{lat} \approx v^2/R).

3. Dos d’âne / bosse

   • Mettre en évidence les pics verticaux,
   • explorer la sensibilité à la calibration IMU.

4. Route en pente

   • Séparer composante « pente » (gravité projetée) de la composante « conduite »,
   • illustrer l’intérêt de la référence route.

Chaque scénario pourra donner lieu à :

• 1–2 figures clefs,
• une mini-légende interprétative,
• éventuellement un extrait de notebook (captures ou références).

6. Intégration dans l’écosystème Teleforge

• Lien avec V001 : la compétence V001 pourra citer AR022 comme artefact de référence pour le traitement inertiel bas niveau (calibration + redressement).
• Lien avec P002/P004 : les papiers de fusion IMU/GNSS et MMKF pourront s’appuyer sur AR022 pour justifier les prétraitements inertiels.
• Lien avec RS3 : AR022 définira un chemin « standard » RS3 → Telemachus → accélérations redressées, réutilisable dans la génération de datasets.

À terme, AR022 pourra fournir :

• une implémentation Python packagée (teleforge.accel_rectification),
• un ou plusieurs notebooks démonstrateurs,
• un micro-dataset d’exemple (quelques trajectoires RS3 annotées).

7. Roadmap & TODO

• Consolider les choix de repères et notations (véhicule, route, navigation).
• Implémenter la calibration IMU style Tedaldi sur un jeu de données synthétiques RS3.
• Implémenter au moins deux variantes d’estimation d’attitude (complémentaire + inertiel+GNSS simple).
• Définir une fonction utilitaire de projection repère nav → repère route.
• Construire 3–4 scénarios RS3 dédiés à AR022 (freinage, virage, dos d’âne, pente).
• Générer les premières figures et valider qualitativement les résultats.
• Connecter AR022 aux papiers P002/P004 et à la compétence V001 dans status.yaml.