Brevet FR2410254A1 — publié le 19790622

La présente invention concerne un gonio-télémètre optique. On appelle ici gonio-télémètre ou télégoniomètre un appareil permettant de mesurer alternativement ou cumulativement la distance entre un objet et un point de référence, l'orientation de cet objet par rapport à un axe reliant cet objet au point de référence, et la coordonnée angulaire de cet objèt par rapport à un axe de référence passant par le point de référence. En d'autres termes, un gonio-télémètre permet de déterminer les coordonnées polaires d'un objet par rapport à un point de référence ainsi que l'orientation de l'objet sur le plan de référence. Parmi les très nombreuses application des gonio-télémètres on s'intéressera ici plus particulièrement à l'application d'un gonio-taémètre comme moyen d'assistance à l'accostage d'un navire et plus particulièrement d'un pétrolier. Mais il est bien entendu qu'un tel gonio-télémètre peut avoir de nombreuses autres applications indépendantes du fait que l'objet à détecter est un navire. L'objet à détecter peut se trouver sur terre ou dans les airs, ainsi que sous la mer (plongeurs, puits de forage, collecte de nodules, etc. .). Ce gonio-télémètre peut par exemple servir à remplacer un théodolite. Les divers dispositifs existants actuellement pour permettre la localisation et le repérage des bateaux, tels que les dispositifs utilisant des radars et/ou des sonars, les dispositifs du type "système Toran" utilisant des ondes radio, les ra diogoniometres et autres dispositifs analogues actuellement connus, fonctionnent mal dans les milieux portuaires. Les échos radars et sonars sont trop nombreux et interfèrent mutuellement et les ondes radio sont gênées par les masses métalliques importantes telles que les grues présentes dans les ports d'où il résulte que ces divers moyens ne peuvent être utilisés pour fournir des données précises applicables à l'accostage des bâtiments. Le problème de l'accostage ou de l'approche d'une bouée par un pétrolier est particulièrement délicat étant donné d'une part les dimensions importantes de ces navires qui peuvent avoir une longueur supérieure à 300 mètres et le fait d'autre part que le poste de pilotage se trouve à la partie extrême arrière du navire. Ainsi, par exemple quand il faut approcher l'avant du navire à quelques mètres d'une bouée ou plate-forme pour relier des tuyau teries de chargement ou de déchargement de petrole, cette approche doit se faire à pratiquement mieux que le mètre près pour permettre un raccordement rapide. De même, l'introduction d'un pétrolier dans une cale exige d'amener le navire avec une orientation très précise par rapport à la cale.Les divers dispositifs de l'art antérieur, outre qu'ils présentent un phénomène de brouillage dans les ports comme cela a été exposé précédemment, présentent également l'inconvénient de devenir imprécis quand l'on se rapproche de beaucoup du point de référence. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un procédé et un dispositif précis de détermination de la position d'un objet au voisinage d'un point de référence. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel dispositif qui soit particulièrement simple à monter sur un navire. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel dispositif peu susceptible de brouillage en milieu portuaire. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel dispositif qui soit particulièrement économique. Un gonio-téîémètreoptique selon la présente invention, pour déterminer les coordonnées radiale et angulaires d'un objet par rapport à un point de référence et à une direction de référence passant par ce point ainsi que l'orientation de cet objet, comprend au moins une source lumineuse émettant un faisceau tournant à une vitesse constante prédéterminée et au moins un dispositif photorécepteur solidaire de l'objet, le nombre total de sources lumineuses et de photorécepteurs étant supérieur ou égal à 3; et des moyens pour détecter les signaux fournis par le ou les photorécepteurs et déterminer leurs décalages temporels d'où l'on déduit les valeurs de distance et d'orientation. Comme cela sera exposé plus en détail ci-après, un dispositif comprenant seulement trois éléments du type source lumineuse et photorécepteur permet seulement des mesures de distance. Pour permettre d'obtenir la coordonnée radiale et la coordonnée angulaire, il faut prévoir au moins quatre éléments dans le groupe comprenant un feu à éclats,des feux tournants et des cellules photoréceptrices, par exemple un feu tournant et trois cellules. Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention qui sera exposé plus en détail ci-après, il est prévu un feu tournant et un feu à éclats disposés au voisinage du point de référence, et trois éléments photorécepteurs disposés sur l'ob- jet dont l'on veut déterminer la position et l'orientation. Ces éléments photo-émetteurs et photorécepteurs peuvent avoir un large spectre optique ou bien être tous adaptés à fonctionner dans une tranche relativement étroite du spectre optique, dans le domaine visible ou infrarouge. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés endétaildans la description ci-après de modes de réalisation particuliers de la présente invention, faite en relation avec les dessins joints dans lesquels La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un gonio-télémètreselon la présente invention; La figure 2 illustre les relations temporelles entre les impulsions fournies par les photocellules du premier mode de réalisation; La figure 3 représente schématiquement les relations géo métriues entre les différents points de la figure 1; et La figure 4 représente schématiquement un feu tournant utilisable selon la présente invention. La figure 1 est destinée à illustrer un mode de réalisation de la présente invention et représente très schématiquement un pétrolier 1 s'approchant d'un point d'accostage,désigne par la référence 2, par exemple une darse. Selon la présente invention, il est prévu au niveau de la darse 2, en un point 0 , un feu tournant 3 voisin d'un feu à éclats 4 et au niveau du pétrolier 1, des photodétecteurs 5, 6 et 7. Le feu tournant 3 est une source lumineuse émettant un faisceau lumineux d'étendue limitée tournant à une vitesse constante prédéterminée et sera décrit plus en détail ci-après. Le feu à éclats 4 émet des impulsions lumineuses omnidirectionnelles à des instants déterminés correspondant au passage du faisceau tournant par une direction de référence. Les cellules 5, 6 et 7 sont fixées sur le pétrolier, en un emplacement quelconque de celui-ci, par exemple à l'avant selon une disposition mutuelle prédéterminée. Dans l'exemple choisi, les trois cellules sont placées de façon équidistantes, à une distance L les unes des autres en des points A, B et C. Le fonctionnement de ce dispositif va être exposé ciaprès en relation avec les figures 2 et 3. La figure 2 est un tableau illustrant la relation entre les impulsions reçues par les cellules 5, 6 et 7 disposées aux points A, B et C. A l'instant tot les trois cellules reçoivent une impulsion lumineuse en provenance du feu à éclat 4. Ensuite, les cellules reçoivent respectivement à des instants t1, t2 et t3 le faisceau lumineux tournant à vitesse constante. La figure 3, est un schéma illustrant les positionnements angulaires et radiaux des cellules disposées aux points A, B et C par rapport à l'origine O sur laquelle est centré le feu tournant, et à un axe de référence 00', par exemple l'axe nord-sud. La position du navire par rapport au point O est caractérisée par la distance d entre les points O et B. La position angulaire du navire par rapport à l'axe de référence est caractérisée par l'angle entre l'axe 00' et la droite OB L'orientation propre du b ti- ment dans le plan de référence est caractérisée par l'angle e entre les droites OB et BA. La distance g entre les points AB et BC est connue. Les angles ss et a ont des valeurs proportionnelles à la durée que prend le faisceau lumineux du feu tournant 3 pour se déplacer du point A au point B et du point B au point C. Ainsi, ces angles ss et a sont respectivement proportionnels aux durées t2-t1 et t3-t1 indiquées en relation avec la figure 2. Des dispositifs électroniques classiques permettent d'obtenir ces valeurs t2-t1 et t3-t1. De même, l'angle est proportionnel à la durée t2-to et peut facilement être déterminé.Connaissant donc les an gles ss,&alpha; et # à partir des valeurs temporelles résultant de l'ana- lyse des signaux en provenance des photocellules, on peut déterminer les valeurs e et d en utilisant par exemple les relations suivantes 2 cotg e = cotg p - cotg a (I) d = e sin(e + 6) (2) sin a L'homme de l'art pourra facilement effectuer automati quement les calculs de e et d en utilisant des dispositifs électroniques connus tels que des microprocesseurs convenablement pro grammés ou câblés. Dans la figure, par souci de simplicité, le feu tournant 3 et le feu à éclats 4 ont été représentés cote à côte. Ces deux feux pourront également être disposés sur une même colonne l'un au-dessus de l'autre. D'autre part, les photodétecteurs 5, 6 et 7 ont été représentés disposés sur une ligne ABC perpendiculaire à la direction du navire. Si l'on souhaite réaliser un accostage le long d'un quai, ces cellules seront de préférence disposées sur un axe parallèle à la longueur du bâtiment. Ces cellules peuvent être contenues dans une petite malette qu'amène le pilote quand il monte sur le pétrolier qu'il souhaite faire accoster, et être disposées peu avant les opérations d'accostage. Elles peuvent également être installées à demeure sur le pétrolier.Dans le cas où elles seraient installées à demeure, on pourra par exemple les disposer de façon à ce qu'elles soient alignées selon une droite présentant un angle non égal à 90 avec l'axe du navire. Par exemple à 45 de cet axe. Ainsi, ces cellules pourront servir aussi bien pour un accostage en tête que pour un accostage le long d'un quai. D'autre part, étant donnée la très grande longueur d'un pétrolier, les cellules 5, 6 et 7 peuvent être disposées à plus de 300 mètres du poste de pilotage sur le château arrière. Ainsi, plu tôt que de faire courir des câbles le long du pétrolier, ce qui est incommode et peut entrainer des risques de déflagrations, on pourra adjoindre aux trois cellules un dispositif émetteur transmettant les informations requises à un poste récepteur placé dans le poste de pilotage, le dispositif de calcul de paramètres étant optionnellement disposé avant l'émetteur ou après le récepteur. On notera qu'avec le dispositif selon la présente invention, plus le bâtiment s'approche du point de référence, plus les intervalles de temps t2-t1 et t3-tl augmentent, c'est-à-dire que la précision de la mesure augmente. Ainsi, contrairement au dispositif de l'art antérieur, plus on se rapproche du point de référence, plus la précision est grande. Elle peut être de l'ordre du millimètre-pour des distances de l'ordre de la dizaine de mètres. Ceci est particulièrement utile du fait que, pour le pilote placé à la poupe, la proue du bâtiment occulte généralement le point d'accostage. On notera que le dispositif selon la présente invention est particulièrement simple à installer, il nécessite simplement une installation fixe à terre comprenant le feu tournant et le feu à éclats synchronisé et les navires ne doivent pas nécessairement comporter un équipement spécial puisque l'ensemble des photorécepteurs peut être installé à la proue du bâtiment au dernier moment par le pilote qui monte sur le navire qu'il doit faire approcher d'une bouée ou plate-forme, entrer dans une darse, ou accoster à un quai. Un mode de réalisation très particulier de la présente invention comprenant un feu tournant, un feu à éclats, et trois photorécepteurs a éte exposé ci-dessus. On notera que la présente invention est susceptible de nombreuses variantes. Par exemple, en utilisant un seul feu tournant, et deux photorécepteurs sur le navire, ou bien deux feux tournants et un seul photorécepteur sur le navire, on disposera d'un moyen de mesure de la distance entre le navire et un point de référence à condition bien entendu qu'un alignement approximatif soit assuré entre l'axe du navire et ce point de référence.On notera d'ailleurs que pour un défaut d'alignement de l'ordre de 150, et en considérant que les deux feux tournants ou les deux cellules sont éloignés de deux mètres l'un de l'autre,l'erreur est de 17,60 mètres à 500 mètres,de 3,50 mètres à 100 mètres et de 35 centimètres à 10 mètres ce qui est tout à fait acceptable dans la plupart des cas pratiques. D'autre part, en utilisant un seul feu tournant, un feu à éclats et un photorécepteur, on dispose d'un moyen de mesure de la coordonnée angulaire du bâtiment par rapport à l'axe de référence. En utilisant deux feux tournants, un feu à éclats et un photorécepteur on dispose d'un moyen de mesure des coordonnées polaires du bâtiment, c'est-à- dire de la coordonnée radiale d et de la coordonnée angulaire . Cgis variantes sont données uniquement à titre d'exemple. De nombreuses autres associations de dispositifs comprenant au moins trois éléments choisis dans le groupe comprenant au moins un photorécep tueur, au moins un feu tournant et éventuellement un feu à éclats permettent de mesurer divers paramètres relatifs aux coordonnées d'un bâtiment par rapport à un point de référence à partir des signaux fournis par le ou les photorécepteurs. La figure 4 illustre un mode de réalisation de feu tournant pouvant être utilisé selon la présente invention. Ce feu comprend une source lumineuse 10, une optique circulaire Il et un cache 12 muni d'une fente de sortie du faisceau lumineux. Le cache 12 peut tourner autour d'un axe vertical. On pourra également utiliser une optique de type lentille, réflecteur ou catadioptre liée au cache 12 et entraînée en rotation avec celui-ci. I1 est nécessaire que la vitesse d'entraînement soit bien déterminée et très régu lière. On pourra par exemple utiliser des moteurs du type assurant l'entraînement des disques dans des platines de tourne-disques, de nombreuses recherches ayant été faites dans ce domaine, notamment pour la reproduction de musique à haute fidélité et les disques de mémoire d'ordinateur.Le pinceau lumineux 13 émis par le feu tournant 3 aura au moins une limite latérale 14 nettement définie de façon que les fronts de montée aux instants tl, t2 et t3 soient nets. Le faisceau 13 aura également une certaine étendue verticale de façon à pouvoir fonctionner en association avec des ensembles de cellules photoréceptrices disposées à des hauteurs différentes (par exemple la proue d'un pétrolier à vide peut s'élever à 30 mètres de hauteur). Pour avoir une précision suffisante, en choisissant par exemple une vitesse de rotation de feu tournant de l'ordre de un demi-tour par seconde (30 tours par minute), il suffit de prévoir des cellules répondant environ à la microseconde et des circuits électroniques appropriés. Ceci est facilement disponible dans la technique. On notera d'ailleurs que même si les cellules ont un temps de réponse plus lent, ceci influe peu sur le résultat du moment que les diverses cellules utilisées aient toutes le même temps de réponse. Ainsi, la différence entre les instants qu'elles détectent ne dépendra pas de leur temps de réponse. Tailleurs, dans la description qui précède on a toujours décrit l'emploi de plusieurs cellules photoréceptrices.Ces cellules peuvent être remplacées par des renvois optiques, par exemple des faisceaux de fibres optiques, dont les extrémités de réception de lumière sont disposées aux lieux et places des cellules précédemment-décrites pour renvoyer la lumière vers un photorécepteur unique. I1 ne se présente alors plus de difficulté quant aux temps de réponse. Ainsi, dans les revendications ci-après le terme "photorécepteur" devra s'entendre ou bien comme désignant une cellule photoréceptrice discrète, ou bien un dispositif de renvoi optique vers une cellule photoréceptrice éventuellement commune à plusieurs dispositifs de renvoi. Dans les exemples décrits, l'axe de rotation du feu tournant était vertical. Bien entendu, cet axe peut avoir toute orientation choisie par exemple dans les cas où l'on effectue une détection sous-marine ou aérienne. En ce qui concerne la precision des mesures on pourra faire usage dans le circuit de détection de "fenêtres électroniques" limitant la prise en compte des impulsions lumineuses à une fraction du temps correspondant à la durée d'une révolution du feu tournant. On obtient ainsi un effet de filtrage contre d'éventuelles impulsions parasites. On pourra également prévoir un seuil de détection réglable manuellement ou automatiquement en fonction de l'intégration de la lumière ambiante moyenne. La présente invention n ' est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à ~ l'homme de l'art. REVENDICATIONS l-Gonio-télémètre optique pour mesurer au moins un parmi trois paramètres de positionnement d'un objet par rapport à un point de référence et un axe de référence, ces trois paramètres étant la distance de l'objet par rapport au point de référence, la coordonnée angulaire de l'objet par rapport a un axe de référence, l'orientation de l'objet par rapport à la ligne le reliant au point de référence, caractérisé en ce qu'il comprend - un ensemble d'au moins trois éléments choisis dans le groupe comprenant au niveau du point de référence des sources lumineuses émettant un faisceau lumineux tournant à vitesse constante détermi née (feux tournants), un feu à éclats émettant une impulsion lumi neuse à chaque passage du faisceau tournant par une orientation déterminée, au niveau de l'objet, des photorécepteurs, disposés les uns par rapport aux autres selon une relation prédéterminée, cet ensemble comprenant au moins un feu tournant et un photorécep teur; et - des moyens pour détecter les impulsions fournies par le ou les photorécepteurs, déterminer leur décalage temporel et calculer lesdits paramètres. 2 -Conio-télérnètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un feu tournant et deux photorécepteurs, ces cellules étant orientées à priori pour définir une ligne sensiblement perpendiculaire à la ligne reliant leur point milieu au point de référence. 3 -Gonio-télémètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux feux tournants synchronisés et un photorécepteur. 4 -Gonio-télémètre selon l'une quelconque des reven Jications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un feu à éclats. 5 -Gonio-télémètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un feu tournant , un feu a éclats et trois photorécepteurs, d'où il résulte que les trois dits paramètres peuvent être déterminés. 6-Gonio-télémètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les cellules sont disposées de façon démontable sur l'objet dont on veut déterminer le positionnement. 7-Gonio-télémètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le feu tournant comprend une source lumineuse fixe entourée d'un cache muni d'une fente et tournant à vitesse constante. 8-Gonio-télémètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le feu tournant et le feu à éclats sont superposés sur un même support. 9 - Application du gonio-télémètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 à l'accostage d'un pétrolier, les photorécepteurs étant placés sur ce pétrolier et les données de calcul étant transmises au poste de pilotage.