Contributions à l’estimation d’attitude chez l’animal ou l’hommepar fusion de données inertielles et magnétiques : de lareconstitution de la posture vers la navigation à l’estime : uneapplication au Bio-logging

This manuscript focuses on the attitude estimation problem of a body moving in 3D space. Thisstudy is devoted to the reconstruction of the posture (orientation), linear accelerations, positions and their costin free ranging animal where the access to GPS locations is limited or impossible (application in Bio-logging). Inthis context, the chosen attitude representation is the quaternion, and the available data are only from a triadof sensors including a 3-axis accelerometer, a 3-axis magnetometer and a 3-axis gyroscope (InertialMeasurement Unit). Three different approaches to estimate the quaternion from these data set were thenproposed. The first is based on an additive nonlinear observer design and uses the quaternion additiontechnique for updating attitude estimates. The second and third approaches propose the design of a slidingmode observer and a complementary filter, respectively. The update of the estimates used in these last twoapproaches is based on quaternion multiplication. This technique shows that it is a good alternative to addressthis problem and seems more appropriate for the quaternion algebra. The obtained results from bothsimulations and experimental studies show the efficiency of these approaches to reconstruct the attitude witha good accuracy for the Bio-logging application and allow estimating also the linear acceleration and theenergetic index of the animal. Moreover, at the end of this manuscript a dead reckoning approach is proposedto estimate the 3D position of pedestrian locomotion animal by exploiting only data from an inertialmeasurement unit. The obtained experimental results in the case of human locomotion, with an adjustedvelocity, are satisfactory and remain promising for the application of this approach in the context of the Biologging.Ce manuscrit est centré sur l’estimation de l’attitude d’un corps évoluant dans un espace 3D. Lecadre de l’étude est la reconstitution de la posture (orientation), des accélérations propres, des déplacements etde leur coût chez l’animal sauvage dans un contexte environnemental où l’accès à des localisations GPS estlimité ou impossible (application au Bio-logging). Dans ce contexte, la représentation de l’attitude choisie est lequaternion de rotation, et les données de mesures accessibles sont uniquement issues d’une triade de capteursproprioceptifs triaxiaux comportant un accéléromètre, un magnétomètre et un gyromètre (unité inertielle).Trois approches différentes estimant le quaternion à partir de ce jeu de données ont alors été proposées. Lapremière est écrite sous la forme d’un observateur non linéaire additif et utilise la technique d’addition dequaternion pour la mise à jour des estimés de l’attitude. La deuxième et la troisième approche sontreprésentées, respectivement, par un observateur à modes glissants et un filtre complémentaire. La techniquede mise à jour utilisée au sein de ces deux dernières approches repose sur la multiplication de quaternion.Cette technique a été peu utilisée dans la littérature pour traiter cette problématique. Elle nous semble plusappropriée pour l’algèbre des quaternions. Les résultats obtenus à l’issue des simulations théoriques etexpérimentales avec les trois approches sont satisfaisants en termes de précision de l’estimation de l’attitude etsont promoteurs par rapport à l’application au Bio-logging pour ce qui concerne le calcul des accélérationspropres et du coût des déplacements de l’animal. Nous avons présenté à la fin de ce manuscrit une approchede navigation à l’estime permettant de remonter au parcours 3D et à la position d’un animal à locomotionpédestre en exploitant uniquement les données issues d’une unité inertielle. Les résultats expérimentauxobtenus par cette approche préliminaire, où la vitesse de déplacement est réajustée à l’échelle du pas lors de lamarche d’un humain, sont encourageants. Ces résultats restent prometteurs pour une application au contextedu Bio-logging