Brevet FR2557307A1 — publié le 19850628

SYSTEME DE DETERMINATION DE LA POSITION ET/OU DE L'ATTITUDE D'OBJETS La présente invention concerne un système de détermination de la position et de l'attitude d'objets et, plus particulièrement un système du genre considéré faisant usage de mires tridimensionnelles réfléchissantes pour la reconnaissance de l'attitude d'objets. De telles mires ont été décrites dans la demande de brevet N083- du decembre 1983. Ce sont des mires à surface ondulée, soit plates, soit sphériques. Elles jouissent de la propriété particuliere suivante. Illuminées par une source de rayonnement visible ou non, elles renvoient vers un détecteur formant avec la source un imageur, les images d'une pluralité de points brillants qui sont distribués sur un alignement droit ou courbe passant par le centre de la mire et par la projection de l'imageur sur le plan d'une mire plate ou sur le plan équatorial d'une mire sphérique.La demande de brevet précitée a décrit des mires à ondulations circulaires concentriques par rapport à un centre, des mires à ondulations radiales par rapport à un centre, des mires à ondulatinos à la fois circulaires et radiales, des mires à ondulations hyperboliques, toutes ces mires étant plates. Selon le type de la mire, les points vus par le détecteur sont distribués sur une droite, sur un cercle, à la fois sur une droite et un cercle, sur une hyperbole équilatère. La demande de brevet précitée a également décrit des mires sphériques dans lesquelles les points de la surface de la mire vus par le détecteur se projettent sur le plan équatorial de la mire sphérique selon un diamètre de ce plan équatorial. Conformément à l'invention, l'objet dont on veut connaitre l'attitude et/ou la distance porte au moins deux mires a une famille d'ondulations ou une seule mire à deux familles d'ondulations et ces mires renvoient vers le détecteur au moins deux alignements de points lumineux qui passent par la projection du détecteur sur le plan de la mire si le détecteur et l'émetteur de rayonnement sont confondus, ou par la projection du point milieu du segment joignant l'émetteur et le détecteur, s'ils ne sont pas confondus. Le plan de la mire se trouve ainsi déterminé par rapport à un référentiel lié au détecteur ; il est perpendiculaire à la droite de visée du détecteur vers ledit point de projection. L'invention va etre maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 est un schéma géométrique montrant la condition à laquelle doit satisfaire un faisceau de balayage émanant d'un émetteur et tombant sur une mire du type considéré pour être recu par un détecteur distinct de l'émetteur - la Fig. 2 est un schéma géométrique montrant la condition à laquelle doit satisfaire un faisceau de balayage émanant d'un émetteur et tombant sur une mire du type considéré pour être reçu par un détecteur confondu avec l'émetteur ; - la Fig. 3 est une vue en perspective d'une mire plate dans laquelle les points vus par le détecteur sont distribués sur une ligne droite ;; - la Fig. 4 montre un premier arrangement de système de détermination d'attitude et de distance faisant usage des mires de la Fig. 3 ; - la Fig. 5 explique la détermination de la distance entre le détecteur et la mire quand la mire est du type de la Fig. 3 ; - la Fig. 6 est une vue en perspective d'une mire plate dans laquelle les points vus par le détecteur sont distribués sur une ligne circulaire - la Fig. 7 montre un second arrangement de système de détermination d'attitude et de distance faisant usage des mires de la Fig. 6 ; - la Fig. 8 représente une mire sphérique - la Fig. 9 explique la détermination de la distance entre le détecteur et la mire quand la mire est du type de la Fig. 8 ;; - les Figs. 10 et 11 représentent le système de l'invention quand l'émetteur de rayonnement et le détecteur ne coïncident pas et - la Fig. 12 représente un exemple de système de traitement de données faisant usage des données recueillies par le détecteur. En se référant à la Fig. 1, le bloc E représente un émetteur de lumière tel qu'un émetteur laser et le bloc D représente un detecteur tel qu'un photodétecteur ou une caméra. P désigne un point courant de la surface N de la mire 10. Le point P est vu par le détecteur si la normale en P à la surface N colncide avec la bissectrice de l'angle EPD. Dans la Fig. 2, l'émetteur E et le détecteur D coïncident en (ED). Le point illuminé est vu par D si la normale à la surface N passe par (ED). Dans les deux cas, le détecteur D est relié à un circuit de traitement des données T. La mire de la Fig. 3 se présente sous la forme d'ondulations circulaires concentriques 12. On a représenté sur la Fig. 3 la projection J de l'ensemble (ED) et le lieu des points vus par le détecteur qui est la droite 13 passant par J et par PO centre de la mire. La Fig. 4 représente une première disposition du système de détermination d'attitude et de position de l'invention. Trois mires, 101, 102, 103 du type de la Fig. 3 sont disposées sur un même plan et sont situées aux sommets d'un triangle équilatéral. Quand les mires sont illuminées, elles renvoient vers le détecteur des alignements lumineux rectilignes 131 132, 133. Ces alignements se coupent au point J et la droite IJ (I détecteur) est perpendiculaire au plan des mires. Lorsque les mires sont placées au sommet d'un triangle isocèle, ou quelconque, on dispose d'une indication supplémentaire sur leur orientation. La Fig. 5 représente une section diamétrale de la mire 101 de la Fig. 4 par un plan passant par la normale n au point J. Les extremites 1 et 2 du diamètre .t de cette mire aligné selon la droite 101 sont vues par le détecteur sous deux angles e1 et 92 avec la normale n et la distance d = IJ est donnée par la formule Y tg e2 - tg e La Fig. 6 représente une mire dont les ondulations 16 sont radiales. Les points vus par le détecteur sont distribués sur un cercle 17 passant par le centre de la mire et par la projection J du détecteur sur le plan de la mire. La Fig. 7 représente une deuxième disposition du système de détermination d'attitude et de position de l'invention. Trois mires 201, 202, 203 du type de la Fig. 6 sont disposées sur un meme plan et sont situées aux sommets dlun triangle équilatéral. Quand les mires sont illuminées, elles renvoient vers le détecteur des alignements lumineux circulaires 171, 172, 173. Ces alignements se coupent au point J et la droite IJ (I détecteur) est perpendiculaire au plan des mires. Lorsque les trois mires sont placées au sommet d'un triangle isocèle, ou quelconque, on dispose d'une indication supplémentaire sur leur orientation. Sur la Fig. 8, on a représenté une mire sphérique. Cette mire sphérique est décrite dans la demande de brevet précitée en relation avec la Fig. 8 de cette demande. La mire possède un plan équatorial et présente des rainures 21 en forme de cercles dans des plans parallèles audit plan équatorial. Quand une telle mire est illuminée, les points de la mire vus par le détecteur se projettent sur ledit plan équatorial selon un diamètre 22 de la sphère passant par la projection du détecteur sur le plan équatorial. Le principal avantage de la mire sphérique est que la dimension apparente du segment formé par les points vus par le détecteur est sensiblement constante quelle que soit l'attitude du détecteur (point I) par rapport au centre de la mire pour une distance donnée les séparant. La Fig. 9 est semblable à la Fig. 5 mais la mire plate 101 à ondulations circulaires concentriques y est remplacée par une mire sphérique 301. a est l'angle sous lequel est vue du détecteur, la mire sphérique et R le rayon de cette mire, la distance d est donnée par On remarque que dans le cas où l'on ne s'intéresse qu'à la position de l'objet, une seule mire sphérique suffit. L'arrangement à trois mires quoi a été décrit dans le cas de mires à ondulations circulaires concentriques et dans le cas de mires à ondulations radiales rectilignes peut se réaliser avec d'autres types de mires décrites dans la demande de brevet précitée. Ces arrangements se conçoivent sans difficulté et il est inutile de les représenter spécifiquement. I1 y a lieu de noter que quand les courbes d'alignement sont des droites, deux mires suffisent pour déterminer le point J. Si les courbes d'alignement sont des cercles, il faut trois mires pour lever le doute car deux cercles se coupent en deux points. Enfin, pour les mires dont les courbes d'alignement sont à la fois une droite et un cercle, une mire suffit. Jusqu'à présent, on a supposé que la source de rayonnement et le détecteur etaient confondus. Les Figs. 10 et 11 sont relatives au cas où ces deux circuits sont séparés. Dans la Fig. 10, la source E est à la verticale du centre de la mire 30. Les alignements de marquage tels que 31 concourrent au point J, projection du détecteur sur le plan de la mire. Dans la Fig. 11, le détecteur D est à la verticale du centre de la mire 30. Les alignements de marquage tels que 32 concourrent au point H projection de la source sur le plan de la mire. Le cas de la Fig. 10 est particulièrement intéressant car il permet de disposer la mire et la source sur un corps mobile dans le champ de vision et le détecteur dans une station fixe. Une application du système de détermination d'attitude et de distance conforme à l'invention au guidage automatique d'engins automobiles tels que des chariots va maintenant être décrite en relation avec les Figs. 4 et 12. Les circuits de calcul nécessaires sont situés dans le bloc T des Figs. 1 et 2. Le détecteur est une caméra à dispositifs à charges couplées (CCD). La Fig. 12 est l'algorithme du système - 40 ... prise d'images ; - 41 ... seuillage suivi de contour - 42 ... détermination du point de concours des trois droites ; - 43 ... calcul de l'écart entre le point de concours précédent et le centre du triangle ; calcul de l'angle de dépointage ; - 44 ... calcul de la longueur angulaire des droites d'alignement ; correction due au dépointage ; - 45 ... calcul de la distance. La phase 43 commande le dispositif de commande en rotation 46 et la phase 45 commande le dispositif de commande en translation 47. REVENDICATIONS 1 - Système de détermination d'attitude et de distance d'objets dans un champ de vision d'un imageur comprenant un émetteur de rayonnement, un détecteur dudit rayonnement et un objet comportant des mires constituées par une surface présentant une pluralité d'ondulations ayant un certain tracé, lesdites mires illuminées renvoyant vers le détecteur des points brillants distribués selon alignement de marquage dont la forme dépend dudit tracé des ondulations, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour déterminer le point de concours d'au moins deux desdits alignements, ce point de concours etant la projection de l'imageur sur le plan des mires. 2 - Système conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les mires sont des mires à ondulations circulaires concentriques et sont au moins au nombre de deux, les alignements de marquage des mires étant des lignes droites qui concourrent au point de projection de l'imageur sur le plan des mires. 3 - Système conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les mires sont des mires à ondulations radiales par rapport à un centre et sont au moins au nombre de trois, les alignements de marquage des mires étant des cercles qui concourrent au point de projection de l'imageur sur le plan des mires. 4 - Système conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les mires sont des mires sphériques ayant un plan équatorial et des rainures de la surface sphérique dans des plans parallèles audit plan équatorial et sont au moins au nombre de deux, les projections sur le plan équatorial des alignements de marquage étant des lignes droites passant par les centres des mires sphériques qui concourrent au point de projection de l'imageur sur le plan équatorial commun des mires. 5 - Système conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de déterminer la normale au plan des mires et les angles que font avec cette normale les droites joignant l'imageur aux points extrêmes d'un diamètre des mires et des moyens de calculer à partir de ces données mesurées la distance de l'imageur au plan des mires. 6 - Système conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de déterminer l'angle sous lequel est vue à partir du détecteur une mire sphérique et- de calculer à partir de cet angle et du rayon de la mire sphérique la distance du détecteur au centre de la mire sphérique.