En bref. La méthodologie que nous recommandons pour la conception de systèmes de localisation repose sur le modèle en V : un parcours structuré allant des exigences à la production en série, avec un minimum de risques, de coûts et de délais. Le côté gauche du modèle en V est consacré à la définition et à la conception ; le côté droit, à la validation et à la mise à l’échelle. Chaque décision prise à gauche se traduit par un test ou une contrainte à droite, et le coût d’une modification est multiplié par environ 10 à chaque étape.
Les problèmes de positionnement les plus complexes concernent rarement le positionnement en soi. Ils relèvent plutôt de la conception du système.
Au sein du service d’ingénierie de terrain de Point One, les équipes chargées de la robotique et de l’autonomie nous contactent dans un premier temps pour nous poser une question concernant les corrections apportées à notre réseau RTK ou à notre moteur de positionnement, mais en l’espace de quelques minutes, la discussion s’étend généralement à l’ensemble des composants de l’ stack de localisation et à la manière dont ils interagissent.
Il est impossible d'obtenir un positionnement de qualité sans prendre les bonnes décisions au niveau des composants. Avant d'aborder les composants spécifiques, les erreurs ou les bonnes pratiques, il convient de faire le point sur le modèle en V et la méthodologie qui vous permet d'atteindre la production en série avec un risque minimal, un coût réduit et des délais raccourcis.
Définition de la conception du système de localisation
La conception de systèmes est la discipline qui consiste à déterminer ce que l'on va construire, comment le système sera architecturé et comment il sera testé, avant de se lancer dans la conception détaillée et la fabrication. Lorsqu'elle est menée à bien, elle aboutit à un ensemble clair d'exigences, à une architecture qui y répond et à un plan de validation qui en apporte la preuve.
Un système de localisation est l’ stack e qui permet à un robot, à un véhicule ou à un appareil de déterminer sa position dans l’espace. Point One se concentre sur le GNSS et la fusion inertielle, mais notre travail ne s’arrête généralement pas là ; nous apportons notre expertise sur l’ensemble de l’ stack e que nos clients conçoivent. Cette stack e englobe tout ce qui est lié à la détermination finale d’une position : antennes, récepteurs GNSS, IMU, dynamique de la plateforme inhérente au mode de déplacement d’une machine spécifique, et, de plus en plus, la fusion des données des caméras et du lidar avec la solution GNSS/INS.
Les exemples ci-dessous proviennent de piles basées sur le GNSS, car c'est sur ce domaine que nous consacrons la majeure partie de notre temps avec nos clients.
Le modèle en V, de par sa forme
L'approche du modèle en V est une méthode d'ingénierie des systèmes largement répandue dans les secteurs de l'aérospatiale, de la défense et de l'automobile. Nous l'avons adaptée spécifiquement à la localisation.
Le côté gauche correspond à la phase de définition du produit : cahier des charges, conception du système, conception détaillée, chaque étape étant plus précise que la précédente. La partie inférieure correspond à la phase de construction du premier prototype matériel et de sa validation : EVT (test de validation technique). Le côté droit correspond à la phase de validation du fonctionnement du système à des niveaux d'intégration et d'échelle croissants : DVT (test de validation de la conception), PVT (test de validation de la production) et production en série.
Chaque étape située à droite du modèle en V permet de vérifier une décision prise à gauche. Par exemple, la construction est validée lors de l'EVT, la conception détaillée lors du DVT, la conception du système lors du PVT et les exigences lors de la réception.
Chaque décision prise à gauche entraîne également un test ou une contrainte à droite. Si vous avez pris une décision précipitée à gauche, vous vous en rendrez compte à droite. Plus vous avancez dans la partie droite avant de vous en rendre compte, plus la correction sera coûteuse.
Explication des étapes du modèle en V
Conditions requises
Tout commence par la question dont tout le reste dépend : quel est, au fond, votre objectif ?
Dans le cadre d’un système de localisation, la réponse à première vue est généralement un chiffre, du type « il nous faut une précision de 10 cm ». Mais il s’agit là d’un paramètre, et non d’une exigence. Les vraies questions se posent en profondeur :
- De quelle sorte de données de position avez-vous réellement besoin ? Position absolue, orientation, vitesse, ou les trois ?
- Quels sont les résultats commerciaux liés à ce poste ? Un drone chargé de collecter des données cartographiques de précision topographique n'a pas les mêmes besoins qu'un robot de livraison devant se rendre jusqu'au seuil d'une porte.
- Dans quel environnement le système fonctionnera-t-il ? À ciel ouvert, dans un canyon urbain, à l'intérieur, sous un auvent, ou dans tous ces environnements ?
- Que signifie « suffisamment fiable » en cas de perte du signal GNSS ? Le système est-il autorisé à tomber en panne, ou doit-il continuer à fonctionner ?
- Quel niveau de fiabilité l'application exige-t-elle, et pour quelle taille de flotte ?
La question n'est pas seulement de savoir quel est le niveau de précision, mais aussi si cette précision est suffisante pour atteindre tel ou tel objectif. Une équipe spécialisée dans la cartographie par drone et une autre spécialisée dans les véhicules autonomes pourraient toutes deux répondre « trois centimètres », mais les exigences sous-jacentes à ces deux affirmations renvoient à des niveaux de matériel, des stratégies de correction et des classes d'IMU totalement différents.
Nous consacrons beaucoup de temps à aider nos clients à transformer leurs objectifs de précision en exigences concrètes qui tiennent compte de l'environnement, de la dynamique, des modes de défaillance et des résultats commerciaux.
Conception du système
Une fois les exigences clairement définies, la conception du système consiste à déterminer, à un niveau général, à quoi ressemble l'architecture. De quels capteurs l'application a-t-elle besoin ? Comment interagissent-ils ? Quel niveau de matériel est nécessaire pour atteindre les objectifs de performance ? Selon la complexité du projet, cette phase peut être rapide ou longue.
À ce stade, vous ne concevez pas encore le circuit imprimé (PCB) définitif. Vous construisez une version matérielle représentative du système que vous comptez concevoir, parfois à partir de kits de développement et de matériel de référence, et vous vérifiez s’il répond aux exigences avant de vous lancer dans la conception détaillée.
C'est l'un des domaines où Point One apporte la plus grande valeur ajoutée. Nous disposons en stock du matériel courant (récepteurs, IMU, antennes, kits de développement et moteur de positionnement fonctionnant sur des systèmes informatiques représentatifs) afin de permettre des tests précoces sans que vous ayez à vous charger de l'approvisionnement et de l'intégration de l'ensemble du matériel. Cela permet de réduire de plusieurs mois à quelques semaines le délai entre le moment où « nous pensons que cette architecture fonctionne » et celui où « nous avons vérifié qu'elle fonctionne ».
Conception détaillée
La conception détaillée transforme l'architecture validée en un produit prêt à être fabriqué : le schéma, la CAO mécanique, la nomenclature, le tracé du circuit imprimé. La frontière entre ces deux étapes peut sembler floue, mais cette distinction est importante. La conception du système permet de valider son fonctionnement ; la conception détaillée permet d'en faire un produit que l'on peut fabriquer.
Réaliser la conception détaillée avant la validation du système est l'une des causes les plus courantes de retouches coûteuses pour un programme.
EVT, essai de validation technique
Au bas du modèle en V, l’EVT correspond à la première fois où le client reçoit les cartes qu’il a conçues, généralement au nombre de cinq ou dix. L’objectif est simple : vérifier que le matériel fonctionne. Recevons-nous des données du récepteur ? L’IMU transmet-elle des données en continu ? Le système produit-il les résultats escomptés ?
L'EVT consiste principalement en des essais en laboratoire et en une validation technique, plutôt qu'en une validation sur le terrain. La question est la suivante : « La conception que nous avons élaborée donne-t-elle les résultats escomptés ? »
L'EVT n'est PAS un test de performances. Vous ne saurez pas encore comment le système gère les effets de trajets multiples importants ni comment l'IMU se comporte dans les conditions dynamiques réelles de votre plateforme. C'est ce que permettra de vérifier ensuite le DVT.
DVT, test de validation de conception
Avec la DVT, la question ne porte plus sur le bon fonctionnement du matériel, mais sur la capacité du système intégré à répondre aux exigences métier et techniques. Vous effectuez désormais vos tests dans des environnements fidèles à l’application réelle, à une échelle de quelques centaines d’exemplaires, avec des données transitant par l’ stack réelle du client.
C’est là que la dynamique de la plateforme commence à jouer un rôle. Une moto en est un bon exemple. Lors de la validation sur banc (EVT), on vérifie que les puces et la carte fonctionnent correctement sur un banc d’essai. La validation sur piste (DVT) consiste à emmener la moto sur circuit et à vérifier que le système gère correctement les changements réels d’assiette dans les virages, par exemple comment s’affiche l’assiette lors d’un virage serré. L’objectif n’est plus simplement de savoir « si le récepteur indique une position ». Mais « le système de localisation gère-t-il ce que fait réellement la plateforme ? »
Dans le cadre de notre collaboration avec nos clients, Point One joue un rôle prépondérant au niveau de la DVT. La manière dont vous utilisez les données de positionnement dans l'ensemble de votre système, dont vous affinez l'intégration et dont vous gérez les cas particuliers se définit ici, grâce à notre API, au moteur de positionnement et au réseau de correction.
Les choix effectués au stade DVT déterminent si le système survivra au passage au stade PVT.
PVT, test de validation de la production
C'est au stade de la production pré-série (PVT) que la question suivante se pose : pouvons-nous fabriquer ce produit de manière fiable et en grande série ? Le défi ne consiste plus à savoir si « la conception fonctionne », mais si « le processus de production fonctionne ».
Au stade du PVT, la conception devrait être stabilisée. À ce stade, vous avez généralement déjà effectué plusieurs séries d’itérations par ordre de grandeur (de 5 à 50, puis à 500), ce qui permet de mettre en évidence des problèmes qui n’apparaissent pas à des volumes plus faibles. Le PVT permet de valider le processus de fabrication : les bancs d’essai, les logiciels de validation, les procédures d’étalonnage et les contrôles qualité. L’objectif n’est plus simplement de produire un exemplaire fonctionnel, mais d’en produire de manière constante.
C'est également à ce stade que vous développez les outils de validation utilisés sur la chaîne de production, afin qu'un appareil puisse être programmé et validé avant son expédition. Il s'agit d'un travail à part entière, qui couvre à la fois la validation matérielle et logicielle, et dont l'importance est souvent sous-estimée. Point One vous aide à élaborer ces plans de test, notamment l'intégration des API et les fonctionnalités qui doivent être disponibles dans l'environnement de test pour permettre une validation à grande échelle.
Production en série et acceptation
En production de masse, l'objectif est simple : chaque unité sortant de la chaîne de montage doit répondre aux spécifications, à chaque fois. L'stack s de localisation sont gravées et configurées dans le cadre du processus de fabrication, et la validation PVT fait désormais office de contrôle de passage en production. L'acceptation constitue la validation finale attestant que les exigences définies dès le début ont été respectées.
Le coût du retour en arrière
Le modèle en V est important car le coût lié à la modification d’une décision augmente fortement à chaque étape vers la droite, d’environ 10 fois par étape. Une modification des exigences se résume à une réunion. Une modification de la conception du système nécessite quelques jours de travail supplémentaire. Mais une fois le schéma validé, cela représente un véritable coût. Une fois les prototypes construits, il faut repenser l’outillage. Une fois en production, on entre dans le domaine des rappels de produits.
Ce calcul constitue l'argumentation complète du camp de gauche. La même décision, prise par la gauche plutôt que découverte par la droite, fait la différence entre une conversation de cinq minutes et un retard de six mois.
Rester dans la boucle intérieure plutôt que dans la boucle extérieure
Lorsqu'une lacune apparaît tardivement du côté gauche, un projet se retrouve pris dans l'une des deux boucles suivantes. La boucle externe est la suivante : cahier des charges, conception, développement, EVT, échec, recommencer depuis le début ; des mois et le budget sont perdus. La boucle interne est la suivante : cahier des charges, validation du concept, conception du système, conception détaillée, avec un retour d'information constant entre ces étapes ; un processus rigoureux, économique et rapide.
Pour rester à la pointe de l’innovation, il ne faut pas vous cantonner à une seule architecture avant de l’avoir validée. Nous vous recommandons de garder deux ou trois options ouvertes jusqu’à ce que les données vous indiquent lesquelles écarter.
C'est l'échelle qui détermine ce qui compte
Le modèle en V n’est pas un parcours ponctuel ; chaque saut d’échelle constitue une transition qui implique de suivre à nouveau le modèle en V. Passer de dix cartes à cent, c’est multiplier par dix votre échelle, et vous devrez franchir plusieurs de ces sauts avant de vous sentir à l’aise. Ce qui compte, ce sont les changements qui interviennent à chaque niveau : à dix unités, vous pouvez régler chaque appareil à la main ; à mille, ce sont les coûts unitaires qui priment et le choix d’une IMU bon marché se répercute sur l’ensemble de la flotte ; à dix mille, un taux de défaillance de 1 % signifie qu’une centaine d’unités en service présentent des problèmes.
Chaque saut révèle également de nouveaux environnements et de nouvelles exigences qui étaient invisibles au niveau précédent, ce qui vous ramène à nouveau vers la gauche.
Et ensuite ? Les erreurs courantes du côté gauche du modèle en V
Les équipes qui respectent leurs délais de livraison ne sont pas celles qui disposent des meilleurs ingénieurs ni des budgets les plus importants. Ce sont celles qui mettent en place une phase de développement structurée avant de s'engager sur le matériel : les exigences sont abordées sous forme de dialogue, les tests sont effectués dès le début dans l'environnement réel, et le plan de validation est élaboré en partant de la production. Nous verrons plus en détail comment nous menons ce processus dans de prochains articles.
Il ne s'agit pas là de problèmes isolés. Un système doté de tous les composants nécessaires, mais mal configuré ou testé dans un environnement inadapté, ne fonctionnera pas. Ce qui importe, c'est le comportement du système dans son ensemble.
Dans le prochain article, nous passerons en revue les erreurs les plus courantes commises en amont : copier-coller les spécifications du récepteur comme s'il s'agissait d'exigences, choisir l'emplacement de l'antenne en fonction du boîtier, sélectionner l'IMU la moins chère sans modéliser les pertes de signal, partir du principe que la couverture cellulaire est omniprésente, et effectuer les tests de validation sur un parking. Chacune de ces erreurs peut être évitée en amont, mais est extrêmement difficile à corriger en aval.
On ne peut pas raccourcir le modèle en V. On peut seulement choisir où consacrer son temps : à la partie la moins coûteuse ou à la plus coûteuse.
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Foire aux questions
Qu'est-ce que le modèle en V dans la conception de systèmes de localisation ?
Le modèle en V est un cadre structuré permettant de mener un produit du concept à la production en série. La partie gauche définit et conçoit le produit à travers les exigences, la conception du système et la conception détaillée. La partie droite valide le produit par le biais des tests EVT, DVT et PVT, à une échelle croissante. Chaque décision de conception prise dans la partie gauche correspond à un test ou à une contrainte dans la partie droite.
Qu'est-ce qu'un système de localisation ?
L'stack complète chargée de fournir des données de position fiables : l'antenne et le récepteur GNSS, l'IMU, la dynamique de mouvement propre à la plateforme et le logiciel de positionnement qui fusionne toutes ces données. De nombreux systèmes intègrent également les données provenant de caméras, de lidars ou de codeurs de roue, en plus des mesures GNSS et inertielles.
Quelle est la différence entre l'EVT, la TVP et la TVP pulmonaire ?
L'EVT (validation technique) permet de vérifier le bon fonctionnement d'une carte conçue, généralement en laboratoire sur un échantillon de cinq à dix unités. La DVT (validation de la conception) permet de vérifier que le système intégré répond aux exigences dans des conditions réelles représentatives, sur un volume plus important. La PVT (validation de la production) permet de vérifier que la conception peut être fabriquée de manière fiable à grande échelle, y compris grâce à l'outillage de la chaîne de production qui valide chaque unité.
Pourquoi le coût d'une modification de conception augmente-t-il à mesure que l'on avance dans le modèle en V ?
Chaque étape entraîne davantage de travail que la modification doit permettre de rattraper. Une modification des exigences se résume à une brève discussion ; une modification du schéma implique un surcroît de travail ; une modification après la fabrication des prototypes nécessite un réoutillage ; une modification en production peut entraîner un rappel de produits. Le coût augmente d'environ un ordre de grandeur à chaque étape, ce qui explique pourquoi une validation précoce et peu coûteuse a un impact si important.