Brevet FR2447011A1 — publié le 19800814

La présente invention concerne des appareils destinés à donner une représentation du mouvement d'un véhicule par rapport à une surface. L'invention concerne plus précisément mais non exclusivement, les appareils de mesure de la vitesse d'un aéronef ou de la distance parcourue par un aéronef tel qu'un hélicoptere ou un aéronef à voilure fixe7 par rapport au sol. Bien que la vitesse d'un aéronef par rapport à l'air dans lequel il se déplace puisse être mesurée de façon relativement facile, par exemple par utilisation d'une sonde statique à tube de Pitot, l'obtention de mesures précises de la vitesse d'un aéronef par rapport au sol présente des difficultés. Cependant, certains aéronefs sont maintenant équipés de caméras de télévision ou d'autres types de capteurs électro-optiques dirigés afin qu'ils observent le sol au-dessous de l'aéronef, par exemple pour l'observation ou la surveillance. Le signal de sortie de la caméra parvient a un écran de télévision ou un enregistreur qui peut être monté dans l'aéronef ou à un poste au sol. L'invention supprime les diffi cultés indiquées précédemment par utilisation d'informations données par de tels capteurs pour l'obtention d'une indication relative aux mouvements de l'aéronef par rapport au sol. Dans un mode de réalisation, l'invention concerne un appareil du type précité, comprenant un dispositif de formation d'image donnant des signaux représentatifs d'une image d'une partie de la surface, et une unité de calcul qui forme une mesure du déplacement par rapport au champ de vision d'une partie au moins de l'image, à la suite du mouvement du véhicule par rapport à la surface et qui donne une représentation du mouvement du véhicule par rapport à la surface en fonction du déplacement de l'image et de la distance du véhicule par rapport à la surface. Le dispositif de formation d'image peut être monté sur une plate-forme stabilisée en azimut et en attitude. Le dispositif de formation d'image peut être une caméra de télévision ou l'appareil peut être disposé afin qu'il mesure le déplacement d'une partie au moins de l'image entre des balayages répétés de la caméra L'appareil peut comprendre une mémoire qui conserve des signaux représentatifs de la partie indiquée au moins de l'image, et une unité qui assure la corréta- tion entre les signaux conservés dans la mémoire, à un moment donné, et des signaux provenant, à un moment ultérieur du dispositif de formation d'image.L'unité de corrélation peut limiter la corrélation des signaux présents dans la mémoire avec pratiqueIaent les seuls signaux provenant du dispositif de formation d'image qui sont représentatifs de régions de la surface qui sont compatibles avec le mouvement du véhicule. D'autres caractéristiques et avantages d'un appareil de mesure de la vitesse et de la direction d'un aéronef par rapport au sol, selon l'invention, ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement un aéronef volant au-dessus du sol - les figures 2, 3 et 5 représentent le champ de vision d'une caméra de télévision montée dans l'aé- ronef, à des moments différents ; et - la figure 4 est un diagramme synoptique de l'appareil selon l'invention. La figure 1 représente un aéronef 1 sans pilote volant dans la direction de la flèche 2, au-dessus du sol. L'aéronef 1 a une caméra 4 de télévision montée sur une plate-forme 5 qui est stabilisée en azimut et en attitude si bien que la caméra est toujours dirigée verticalement vers le bas vers le sol 3 qui se trouve au-dessous de l'aéronef et de manière que les bords du champ de vision de la caméra soient toujours alignés sur la même direction, quels que soient les mouvements de l'aéronef. La caméra 4 transmet des signaux par un appareil 6 (figure 4) formant une liaison radioélectrique de transmission de données à un écran 7 de télévision disposé à un poste au sol. Le champ de vision, pendant un balayage de trame de la caméra 4, est représenté par la figure 2 alors que le champ de vision pendant un balayage suivant de la caméra, a un temps ultérieur t -lorsque l'aéronef 2 a parcouru une distance d par rapport au sol 3- est représenté sur la figure 3.L'appareil identifie une zone Ao du sol qui se trouve dans le champ de vision pendant un balayage de trame et localise alors la même zone Ao au balayage suivant de trame. L'appareil mesure l'importance du déplacement de cette zone Ao dans le champ de vision et, connaissant la hauteur h de l'aéronef 1 au-dessfls du sol 3, il donne une indication sur la distance parcourue. La vitesse de l'aéronef par rapport au sol 3 peut alors être tirée de la connaissance de l'intervalle de temps t entre les balayages de trame. On considère maintenant plus en détail l'appareil en référence à la figure 4. La caméra 4 de télévision voit le sol 3 qui se trouve au-dessous de l'aéronef 1 et transmet, par la ligne 8, des signaux vidéo qui parviennent à l'appareil 6 destiné à assurer la transmission des données et à une unité 10 de calcul, sous forme d'un microprocesseur. Les signaux vidéo sont sous forme analogique, donnant des informations concernant la luminosité, et comprennent les impulsions habituelles de synchronisation de ligne et de trame. L'unité 10 de calcul comprend une unité 11 de traitement de signaux vidéo qui met sous forme numérique les signaux vidéo se trouvant dans une petite zone B (reprentée par la bande verticale placée entre les traits continus des figures 2 et 3) du champ de vision de la caméra 4.L'unité 10 de calcul transmet alors ces signaux numériques à un premier jeu d'emplacements 12 de mémoire. La zone B est fixe par rapport au champ de vision de la caméra 4 de télévision et, pendant le premier balayage de trame, elle correspond à la zone Ao (représentée par la bande verticale qui se trouve entre les traits interrompus sur la figure 2) du sol 3. Chaque ligne horizontale de la trame de la caméra de télévision peut être considérée comme divisée en un certain nombre de petits éléments dont les lumino sités sont déterminées par des nombres formé par le processeur vidéo 11, en fonction des signaux vidéo. La zone B, dans cet exemple, est sous forme d'une étroite bande verticale dont l'épaisseur est égale à plusieurs éléments le long d'une ligne de trame et dont la longueur est inférieure à celle du champ de vision. La zone B peut cependant avoir des dimensions et configurations différentes et elle peut avoir toute inclinaison voulue par rapport à la direction de déplacement de l'aéronef. La zone B peut par exemple être sous forme d'une ligne verticale ayant Irépaisseur d'un élément de trame, ou elle peut avoir une forme en croix. Dans une variante, plusieurs zones séparées, distantes sur le champ de vision, peuvent être utilisées. Après un balayage suivant de trame, après le temps t, les signaux vidéo représentatifs de la même zone B dans le champ de vision sont transmis à un second jeu d'emplacements 13 de mémoire dans l'unité 10 de calcul. Comme l'aéronef 1 s'est déplacé d'une distance d entre ces balayages de trame, la zone B qui se trouve dans le champ de vision de la caméra 4 correspond alors à une zone différente A t du sol, la zone originale Ao ayant été déplacée dans le champ de vision comme indiqué sur la figure 3. La zone Ao du sol correspond alors à une zone C (représentée par la zone placée entre les traits continus sur la figure 3) dans le champ de vision de la caméra 4.L'emplacement de cette zone C est identifié par corrélation des signaux vidéo de ce second balayage aux signaux conservés, représen tatifs de la zone B dans le premier balayage. L'opera- tion de corrélation est indiquée sur la figure 4 comme étant mise en oeuvre par une unité 14 de corrélation incorporée à l'unité 10 de calcul, pour faciliter la description. I1 faut cependant noter que l'opération n'est pas réalisée habituellement par une unité séparée mais peut être assurée par programmation convenable de l'unité 10 de calcul. L'opération de corrélation est décrite en détail dans la suite. Lorsqu'un accord (ou le meilleur accord possible) a été déterminé, les coordonnées (déterminées par les impulsions de synchronisation de ligne et de trame) de la zone C sont utilisées dans une opération de calcul pour la détermination de la distance S séparant les zones B et C dans le champ de vision, avec la direction de déplacement de la zone C par rapport à la zone B. Ce calcul est représenté sur la figure 4 comme mis en oeuvre par une unité séparée 15 de calcul bien qu'en réalité il puisse être effectué au cours du fonctionnement programmé de l'unité 10 de calcul. Cette der nière reçoit aussi des signaux, par une ligne 20 provenant de l'altimètre 21 à radar de l'aéronef, qui sont représentatifs de la hauteur h de l'aéronef au-dessus du sol. Comme les deux paramètres S et h sont connus, la distance d parcourue par l'aéronef 1 entre les balayages de trame peut être calculée. Comme on connaît l'intervalle t entre les balayages, les composantes longitudinale et latérale VO et Va respectivement de la vitesse de l'aé- ronef par rapport au sol 3 peuvent aussi être calculées. Les signaux représentatifs des composants VO et Va de la vitesse sont transmis par une ligne 30 à un appareillage aéroporté 31, par exemple un système de pilotage ou de navigation ; les signaux peuvent être aussi transmis à un poste placé au sol, par une liaison radioélectrique transmettant des données. Après la fin de l'opération de corrélation des signaux de la caméra 4 de télévision et des signaux conservés dans un premier jeu d'emplacements 12 de mémoire, une autre corrélation est effectuée. Cette corrélation suivante porte sur les signaux provenant de la caméra 4 de télévision à un temps 2t suivant le premier balayage, et sur les signaux conservés dans le second jeu d'emplacements de mémoire 13 (après le temps t). Les signaux provenant du processeur vidéo 11, au cours des balayages successifs, à des intervalles de t secondes, sont transmis à nouveau au premier et second jeux d'emplacements 12 et 13 de mémoire, successivement si bien que le conténu antérieur est effacé. La recherche du balayage par trame est limitée à la seule zone H (figure 3) dans laquelle la zone C a des chances de se trouver afin que le temps nécessaire à la corrélation qui permet l'identification de la zone C soit réduit. La zone H est plus grande que les zones B et C et sa disposition dans le champ de vision est déterminée d'après une mesure approximative de la vitesse et du sens de déplacement de l'aéronef, calculés d'après les balayages précédents ou suivant d'autres procédés. En outre, des signaux V' transmis par une ligne 40 et provenant d'un accéléromètre 41 peuvent être transmis à l'unité 10 de calcul afin que l'emplacement de la zone H soit amélioré par compensation de la variation de vitesse de l'aéronef 1 entre les balayages des trames. L'unité 10 de calcul peut aussi recevoir des signaux représentatifs du cap de l'aéronef, par une ligne 50, en provenance du compas 51 de l'aéronef. L'opération de corrélation permettant l'identification de la zone C dans la zone H, peut être réalisée de diverses manières. Dans un premier cas, un certain nombre de zones B' comprises dans la zone H, ayant la même dimension et la même configuration que la zone B, est comparé aux signaux des emplacements 12 de mémoire. Au cours de cette comparaison, la luminosité de chacun des éléments, le long de chaque ligne de trame, est com parée aux valeurs de luminosité mémorisées des éléments correspondants de la zone B. Un nombre représentatif du degré de similitude entre la luminosité de chacun des éléments correspondants est transmis à un accumulateur. Celui-ci ajoute ces nombres et donne un total qui est représentatif du degré de corrélation entre la zone B' et la zone B. Des totaux analogues sont calculés pour chacune des zones B' et la zone ayant le degré le plus élevé de corrélation est conservée afin qu'elle constitue la zone C. I1 existe de nombreuses variantes pour la mise en oeuvre de l'opération de corrélGtion. Par exemple, les éléments-individuels de la zone B peuvent être groupés afin qu'ils forment un certain nombre de groupes ayant chacun plusieurs éléments et ayant chacun une valeur associée de luminosité. Les valeurs de ces groupes peuvent alors etre comparées aux valeurs de groupes analogues de la zone B' comprise dans la zone H et un degré de corrélation est déterminé pour chacune des zones B'.La luminosité utilisée au cours du processus de corrélation peut être comprise entre deux niveaux simplement, c'est-à-dire clair ou sombre, et une échelle de gris à plusieurs niveaux. Dans une variante d'opération de corrélation, l'appareil fonctionne initialement comme décrit précédemment pour l'identification de la zone C qui correspond à la zone originale B. Lors d'un balayage suivant (comme indiqué sur la figure 5), un temps 2t après le balayage original, l'appareil étend le processus de corrélation afin qu'il identifie aussi une zone D qui se trouve dans le champ de vision et qui correspond à la zone originale A au sol, à la place de la simple iden o tification d'une zone correspondant à la zone A t dans le champ de vision. Cette corrélation peut être répétée pour un certain nombre d'intervalles de temps t pendant lequel la zone A reste dans le champ de vision. o Une caméra de télévision utilisée pour l'observation à distance assure normalement plusieurs balayages par seconde. Cependant, dans cette application, l'utilisation de l'information de chaque balayage n'est pas nécessaire, sauf dans des circonstances exceptionnelles. On peut par exemple constater que, lorsque l'aéronef 1 se déplace à grande vitesse près du sol 3, le champ de vision et la vitesse de balayage de la caméra 4 sont tels que la zone Ao se trouve dans le champ de vision uniquement dans un balayage, l'appareil ne fonctionnant donc pas de façon satisfaisante. Dans ce cas, on peut constater qu'il est avantageux que la caméra 4 soit dirigée vers l'avant, vers l'arrière ou sur le côté plutôt que-verticalement vers le bas, le calcul de la vitesse de l'aéronef étant corrigéede manière convenable. La caméra 4 n'est pas obligatoirement montéesur une plate-forme stabilisée, et l'unité 10 de calcul peut aussi recevoir des informations concernant le tangage, le roulis et le lacet de l'aéronef 1 afin que les variations d'attitude de l'aéronef puissent être compensées. Dans l'application décrite précédemment à un aéronef sans pilote, I'aéronefpeut normalement voler en fonction de signaux radioélectriques de commande provenant d'une station distante au sol. L'appareil selon l'invention peut être utilisé pour la commande autonome de navigation en cas de panne de la liaison radioélectrique avec la station au sol. Des problèmes peuvent se poser lorsque le fonctionnement de l'appareil commence alors que l'aé- ronef est en déplacement, car l'appareil n'a pas alors d'informations concernant la vitesse de l'aéronef et pouvant être utilisées pour la localisation de la zone H. Dans ces circonstances, l'appareil peut être préparé initialement afin qu'il assure une corrélation dans tout le champ de vision ou il peut utiliser l'information de vitesse d'une autre source, par exemple le signal intégré d'un accéléromètre ou une sonde statique à tube de Pitot. Bien que la caméra 4 de télévision indiquée précédemment soit du type optique normal, sensible aux longueurs d'onde visibles, on peut aussi utiliser une caméra infrarouge ou un dispositif renforçateur d'image. On peut aussi utiliser d'autres appareils de formation d'image ayant un faisceau balayé de radiations (par exemple un faisceau optique laser ou de rayons X, ou un faisceau acoustique de radar acoustique), et un capteur disposé afin qu'il reçoive les radiations réfléchies par le sol. REVENDICATIONS 1. Appareil destiné à donner une représentation du mouvement d'un véhicule par rapport à une surface, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (4) de formation d'image qui transmet des signaux représentatifs d'une image d'une partie (Ao) de la surface (3), et une unité (10) de calcul qui donne une mesure du déplacement par rapport au champ de vision d'une partie au moins de l'image à la suite du mouvement du véhicule (1) par rapport à la surface (3) et qui donne une représentation du mouvement du véhicule (1).par rapport à la surface (3) en fonction du déplacement de l'image et de la distance du véhicule (1) à la surface (3). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (4) de formation d'image est monté sur une plate-forme (5) qui est stabilisée en azimut. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérise en ce que le dispositif (4) de formation d'image est monté sur une plate-forme (5) qui est sta bilisée en attitude. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de formation d'image est une caméra (4) de télévision. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'appareil mesure le déplacement de la partie au moins de l'image entre des balayages répétés de la caméra (4). 6. Appareil selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la partie au moins du champ de vision est une bande (B) qui est disposéeen direction sensiblement perpendiculaire aux lignes de trame de la caméra (4) de télévision, la bande (B) étant plus courte que le champ de vision de la caméra (4). 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractériséen ce qu'il comprend une mémoire (12) qui conserve des signaux représentatifs de ladite partie au moins de l'image, et une unité (14) de corrélation des signaux conservés dans la mémoire (12) à un moment donné à des signaux provenant du dispositif (4) de formation d'image à un moment ultérieur. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'unité (14) de correlation limite la corrélation des signaux qui se trouvent dans la mémoire (12) pratiquement aux seuls signaux provenant du dispositif (4) de formation d'image et qui sont représentatifs des zones de la surface (3) qui sont compatibles avec le mouvement du véhicule (1). 9. Appareil selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'unité (14) de corrélation effectue des corrélations répétées des signaux conservés dans la mémoire (12) à un moment donné avec des signaux provenant du dispositif (4) de formation image à des moments ultérieurs, tant que la partie au moins de l'image de la partie (Adde la surface (3) reste dans le champ de vision du dispositif de formation d'image.