Brevet FR2508651A1 — publié le 19821231

La présente invention a pour objet un dispositif de repérage de la position d'un point dans l'espace, notamment par ultrasons. Les dispositifs habituellement utilisés pour le repérage de la position d'un point dans l'espace sont généralement coûteux et encombrants. Ce sont souvent des appareils de laboratoire inadaptés au fonctionnement dans les domaines industriels ou grand public. D'autre part, ils sont souvent conçus pour des mesures à deux dimensions. La présente invention concerne ainsi un dispositif de repérage de structure simple, et peu coGteux, et qui peut être facilement utilisé pour un repérage à trois dimensions. L'invention concerne ainsi un dispositif de mesure de la position d'un point mobile dans l'espace caractérisé en ce qu'il comporte un émetteur d'un signal de fréquence F, disposé au point dont la position est à mesurer, et au moins un module de mesure comprenant: - un récepteur dudit signal, - un circuit d'échantillonnage du signal du récepteur à une fréquence d'échantillonnage Féch donnée, - un circuit de mesure de phase produisant un signal représentant l'écart de phase entre le signal de l'émetteur et le signal mesuré du récepteur, - un circuit de calcul de l'évolution probable de l'écart de phase entre deux échantillonnages successifs, - et un circuit de comparaison, modulo 21t, entre l'écart de phase calculé et l'écart de phase mesuré, produisant un signal d'erreur introduit dans ledit circuit de calcul de manière à produire un signal de mesure de position. Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte un circuit d'échantillonnage du signal de l'émetteur à ladite fréquence Féch. Un dispositif selon l'invention peut comporter deux ou trois modules de mesure de manière à réaliser une mesure à respectivement deux ou trois dimensions. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif comporte un circuit convertissant les signaux de mesure de position en coordonnées cartésiennes. L'invention sera mieux comprise dans la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux dessins annexés ou: - la figure 1 représente un schéma d'une disposition relative d'un émetteur et de trois récepteurs en vue d'une mesure de position a trois dimensions, - la figure 2 représente un dispositif de mesure suivant un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 illustre les signaux d'échantillonnage suivant un mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 représente les courbes significatives de la stabilité du dispositif suivant un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente donc un émetteur disposé au point dont la position est à mesurer, et qui émet un signal de fréquence F donnée. Ce signal est reçu par trois récepteurs R1, R2, R3. Chacun de ces récepteurs fait partie d'un module de mesure chargé de l'échantillonnage et du traitement des signaux, de manière à produire une mesure de la position du point mobile. Par exemple, les mesures de la position du point mobile sont ensuite converties en coordonnées cartésiennes, selon un repère donné. Sur la figure 1, le repère est un trièdre rectangle (O, x, y, z) dont le centre O coïncide avec le récepteur R1, les récepteurs R2 et R3 étant placés respectivement sur les axes Oy et Oz. La reconstitution peut également être réalisée par projection conique dans un plan, par exemple le plan (Oy, Oz) des récepteurs R1, R2 et R3. La figure 2 représente l'émetteur E alimenté par un oscillateur OSC. Les trois modules de mesure 1, 2 et 3 comprenant respecti vement les récepteurs R1, R2 et R3, comportent chacun, outre un amplificateur (A1, A2, A3) de mise en forme des signaux des récepteurs, un échantillonneur (ECH 1, ECH 2, ECH 3), dont la sortie attaque un comparateur de phase (CX 1, C 2, C 3), un soustracteur (10, 20, 30), ainsi qu'un modèle (MOD 1, MOD 2, MOD 3) destiné à la prévision de l'évolution de la position du point mobile entre deux échantillonnages. Les signaux de l'oscillateur OSC sont également échantillonnés par l'échantillonneur ECH E, dont la sortie attaque le comparateur de phase (cri 1, C CH2 2, CX 3) de chaque module. Pour la suite de la description, on se reportera également à la figure 3. L'oscillateur délivrant des signaux carrés de fréquence F = 40 KHz, la période T de ceux-ci est 25 micro-secondes. Le signal d'échantillonnage délivré à chacun des échantilleurs ECH E, ECH 1, ECH 2 et ECH 3 se présente sous la forme de trains de signaux se répétant tous les Téch = Mhs où Féch est la fréquence d'échantil- lonnage et en conséquence Téch la période d'échantillonnage. La fréquence choisie est de 50 Hz, ce qui correspond à Téch = 20 ms. Chaque train de signaux se compose, pour réaliser un échantillon T nage, de p signaux d'échantillonnage espacés de T + p . La valeur de p étant choisie égale à 25, les signaux d'échantillonnage seront alors espacés de 26 micro-secondes. Chacun des échantillonneurs produit alors toutes les T secondes un signal logique de valeur 0 ou I, alors suivant la valeur du signal rectangulaire qu'il échantillonne. Chacun des comparateurs de phase (CQ) 1, Clt 2, CÇ 3) a pour fonction de calculer en valeur absolue et. en signe l'écart de phase respecti vement #R1, #R2, #R3 entre les signaux reçus respectivement par R1, R2 et R3 et le signal de l'émetteur E.En supposant que les phases évoluent de façon négligeable pendant un train de signaux d'échantillonnage, on aura pour le récepteur R1 avec Gx = = OU EXCLUSIF; R1,i = Signal logique correspondant au ième échantillonnage du récepteur R1; Ei = Signal logique corres eme pondant au i echantillonnage de l'émetteur E. Un résultat égal à p correspond à un déphasage de 31. Signe de = signe Il va de soi que les formules valables pour les récepteurs R2 et R3 se déduisent en changeant l'indice 1 désignant le récepteur R1 par les indices correspondants, respectivement 2 et 3. La figure 3 montre également les cinq premières opérations d'échantillonnage d'un train d'échantillonnage. Lors de l'opération N" 1, les signaux de l'émetteur E et du récepteur R1 correspondent au niveau 0, et ceux des récepteurs R2 et R3 au niveau 1. Il en est de même lors des opérations N02 et 3. Par contre, lors de l'opération NO 4, le signal du récepteur R1 correspond maintenant au niveau 1, et le signal de récepteur R2 correspond au niveau 0, et lors de l'opération N" 5 le signal de l'émetteur E correspond au niveau 1. Le balayage se poursuit jusqu'à ce que n atteigne la valeur 25. L'échantillonnage, qui a duré 650 micro-secondes, sera recommencé toutes les 20 ms. La différence entre ces deux temps est donc disponible pour les opérations de calcul. Une partie de ces calculs est effectuée au niveau des modèles (MOD 1, MOD 2, MOD 3). A chaque cycle d'échantillonnage, le modèle reçoit du soustracteur correspondant (10, 20, 30) un signal représentant la différence modulo 2 rentre le signal (P1, P2, P3) correspondant à la phase prévue par le modèle (MOD 1, MOD 2, MOD 3), et le signal (M1, M2, M3) correspondant à la phase mesurée. Chacun des modèles (MOD 1, MOD 2, MOD 3) est alors à même de produire un signal de mesure, respectivement S1, S2 et S3 corres- pondant à la phase mesurée. On comprend ainsi la fonction des modèles : étant donné que les comparateurs de phase ne délivrent que des signaux (M1, M2, M3) représentant l'évolution de la phase modulo 2#, il faut une information supplémentaire pour arriver à reconstituer la position du mobile, représentée par la phase absolue. La prévision réalisée par chacun des modèles-va ainsi permettre de déterminer approximativement l'écart de position entre deux échantillonnages, exprimé en nombre et en fraction de longueurs d'onde. La correction réalisée par la mesure réelle portera donc sur la partie fractionnaire correspondant à l'écart de phase exprimé mo dulo 2 , étant entendu que la partie entière doit être prévue à coup sur par le modèle. Pour un mobile se déplaçant à très faible vitesse, c'est bien entendu la partie fractionnaire qui représente les déplacements, aucun "saut" d'une longueur d'onde n'étant en général observé entre deux échantillonnages. On va maintenant donner un exemple de modèle utilisable dans le cas de l'invention. Soit #1,n(t) = M1,n(t) - P1,n (t), l'erreur de prévision exprimée en nombre de longueurs bonde pour le nième échantillonnage, avec Mi,n = valeur mesurée de #R1 pour le nième échantillonnage et P1,n = valeur prévue pour la phase pour le nième échantillonnage. Il faut - Pour chacun des récepteurs, on pose alors (pour simplifier la notation, on a laissé tomber l'indice identifiant les récepteurs): P"n = P"n-1 - #n-1 &alpha; P'n = P"n-1 + P'n-1 - #n-1 ss Pn = P'n-1 + Pn-1 - #n-1 &gamma; avec #n = Mn - Pn; P'n et P"n etant respectivement les dérivés première et seconde de Pn La résolution de l'équation sans second membre permet de prevoir la stabilité du système: Les coefficients manquants ainsi que &alpha; n'affectent pas la stabilité. En effet, les valeurs propres sont les racistes de: P(#)=(1(#)((1-#)(&gamma;-#)-ss) Une racine est en évidence #c = 1. La stabiíité est assuree si |#2| Le domaine répondant à ce critère est le domaine non hachuré de la figure 4. On a posé b = + I et c = {- o . La parabole également présente sur la courbe correspondant à b2 - 4 a c = 0. Les paramètres &alpha;, ss, &gamma; des modèles étant fixés, chaque modèle calcule entre deux cycles d'échantillonnage outre Pn, les valeurs P'n et P"n qui seront utiles lors du cycle d'échantillonnage suivant Chacun des modèles produit également, après chaque échantillonnage, un signal respectivement S1, S2, S3, ces signaux représentant les valeurs mesurées de la phase absolue De tels signaux constituent un signal de mesure de position représentant la distance entre l'émetteur et le récepteur, ou une position donne dans l'espace suivant la manière dont le dispositif a été initialisé, exprimé en nombre de longueurs pondes du signal de fréquence F. Ces valeurs sont ensuite utilisées pour retrouver les coordonnées du mobile en coordonnées cartésiennes et/ou pour réaliser une projection conique sur un plan par exemple contenant les récepteurs, etc.. Ces calculs sont effectués, également entre les cycles d'échantil- lonnage, dans un convertisseur 123 qui reçoit les signaux S1, Sp et 53 et fournit en sortie des signaux x, y, Z correspondant à une transformation en coordonnées cartésiennes, et/ou des signaux par exemple Yc, Zc correspondant à une projection conique dans un plan, par exemple le plan y Oz des récepteurs L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation decrits ci-dessus. Par exemple, il ntest pas nécessaire d'échantillonner le signal de l'émetteur si on prévoit de synchroniser le début de chaque période d'échantillonnage avec celui-ci. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la position d'un point mobile dans l'espace caractérisé en ce qu'il comporte un émetteur E d'un signal de fréquence F donnée, disposé au point dont la position est à mesurer, et au moins un module de mesure (1, 2, 3) comprenant: - un récepteur (RI, R2, R3) dudit signal (ECH 1, ECH 2, ECH 3), - un circuit d'échantillonnage (ECH 1, ECH 2, ECH 3) du signal du récepteur (R1, R2, R3) à une fréquence d'échantillonnage Féch donnée, - un circuit de mesure de phase (C 1, C 2, CX 3) produisant un signal (M1, M2, M3) représentant l'écart de phase entre le signal de l'émetteur et le signal mesuré du récepteur, - un circuit (MOD 1, MOD 2, MOD 3) de calcul de l'évolution probable de l'écart de phase entre deux échantillonnages successifs, - et un circuit (10, 20, 30) de comparaison modulo 2 tir entre l'écart de phase calculé (P1, P2, P3) et l'écart de phase mesuré (mol, M2, M3) produisant un signal d'erreur ( 2, 63) introduit dans ledit circuit de calcul (MOD 1, MOD 2, MOD 3) de manière à produire un signal de mesure de position (S1, S2 > S3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (ECH E) d'échantillonnage du signal de l'émet- teur à ladite fréquence Féch. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qutil comporte deux ou bien trois modules de mesure (1, 2, 3) de manière à réaliser une mesure à respectivement deux ou bien trois dimensions. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte trois modules de mesure et un circuit convertissant les signaux de mesure de position de manière à réaliser une projection conique(y Zc) de la position de l'émetteur sur un plan (y O z). 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit convertissant les signaux de mesure de position (S1, S2 > S3) en coordonnées cartésiennes (x, y, z). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit d'échantillonnage (ECH E, ECH 1, ECH 2, ECH 3) comporte un moyen pour générer à des intervalles donnés (Téch), des trains de p signaux d'échantillonage espacés de (T + T ), où T est la période correspondant à la fréquence F donnée. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit circuit (MOD 1, MOD 2, MOD 3) dé calcul de l'évolution probable de l'écart de phase comporte un modèle de prédiction de ladite évolution à partir des écarts mesurés précé dey ment et en ce que le signal de mesure de position représente la distance entre l'émetteur et le récepteur ou une position donnée dans l'espace exprimée en nombre de longueurs d'onde du signal de fréquence F. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'émetteur E et le ou les récepteurs (R1, R2, R3) sont ultrasoniques.