Brevet FR2583882A1 — publié le 19861226

DISPOSITIF DE MESURE DE LA VITESSE ET DE LA POSITION D' UN MOBILE PAR RAPPORT AU SOL. La présente invention concerne un dispositif de mesure de la vitesse et de la position d' un mobile par rapport au sol. Cette information de vitesse par rapport au sol est particulièrement intéressante pour un véhicule automobile, dans tous les systèmes d' aide à la conduite tels qu' une boîte de vitesses automatique, un système antiblocage des roues hors du freinage ou un système de maintient de la vitesse à une valeur sélectionnée constante. Actuellement, une solution au problème de la mesure de vitesse d' un véhicule automobile, par rapport au sol, consiste à mesurer la vitesse de rotation d' un organe tournant placé à différents endroits du véhicule, sur les roues ou en sortie de la boîte de vitesse par exemple selon les applications et à en déduire la vitesse du véhicule. Cette solution présente l' inconvénient de n' être pas exempte d' erreurs systématiques dues au glissement ou à la variation de la pression des pneus du véhicule. Une autre solution au même problème utilise un capteur optique à corrélation dont la précision mécanique et optique doit être élevée entraînant un coût important. La présente invention a pour but de résoudre le problème de la mesure de la vitesse d' un mobile par rapport au sol en utilisant un capteur d'images électro-optique visant le sol associé à un système électronique de traitement de l'information visuelle. Plus précisément, le dispositif de mesure selon l'invention comporte un capteur d'images visant le sol, associé à des moyens de numérisation du signal vidéo ; des moyens d' acquisition de ces images numérisées ; des moyens de contrôle destinés à synchroniser le fonctionnement du capteur d'images, prises deux à deux, et à en déduire la vitesse et le déplacement du mobile. Selon une caractéristique de l'invention, le capteur d'images est une caméra à transfert de charges, à réseau linéaire ou matriciel. D' autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, d' exemples de réalisation non limitatifs et illustrés par les figures suivantes qui représentent - la figure l : un capteur d'images du type barrette d' éléments photo-sensibles - la figure 2 : un schéma synoptique d' un premier exemple de dispositif de mesure selon l'invention - la figure 3 : un schéma synoptique des moyens de corrélation du dispositif selon l'invention - la figure 4 : les chronogrammes des signaux associés au fonctionnement du capteur d'images - la figure 5 : le déplacement d' une portion de 1' image i dans l'image i + l - la figure 6 : un schéma synoptique d' un second exemple de dispositif de mesure selon l'invention ; - la figure 7 : un capteur d'images du type matrice d' éléments photo-sensibles. Les informations apportéès par une image sont nombreuses et il est intéressant de les utiliser pour obtenir des renseignements sur l' évolution d' un véhicule en fonction de son environnement, ce qui permettrait entre autres d' anticiper sur le comportement du véhicule. Les images utilisées par le dispositif selon l'invention concernent la surface du sol dont on admet qu' elle comporte un minimum d'informations optiques pour entraîner des variations de contraste dans chaque image, sur une distance de quelques mètres. En effet, le sol est réalisé à partir d' une composition granulaire dont la taille des grains est généralement supérieure à l millimètre. Le dispositif de mesure de vitesse selon l'invention comporte un capteur d' images électro-optique et un système électronique de traitement de l'information, qui vont être détaillés dans ce qui suit. La première étape de tout traitement de l'information visuelle par des moyens électroniques concerne l' acquisition des images, ce qui nécessite tout d' abord un capteur électro-optique traduisant les variations spatiales de l'intensité lumineuse en variations temporelles d' un signal électrique. Le dispositif selon l'invention utilise ensuite un traitement des images, pour estimer des translations bidimensionnelles dans une séquence d'images, destiné à chercher un maximum d' intercorrélation entre une portion d' une première image et une portion d' une seconde image. Le capteur d' images voit une surface non uniforme enregistrant donc des variations d'intensité lumineuse. Le système de traitement des images associées au capteur utilise une partie de chaque image pour faire la corrélation ; il détermine le maximum de corrélation entre une fenêtre de JxK pixels de la première image avec une fenêtre de 3xK pixels que l' on déplace dans la deuxième image et de là on estime le déplacement DX et DY du véhicule entre deux images.La vitesse V du véhicule sera obtenue en faisant la moyenne des déplacements (DXi > DYi) calculés sur une séquence d' un certain nornbre d'images, prises deux à deux, en supposant que la vitesse ne varie pas de façon significative pendant cette séquence d'images. La figure l représente schématiquement un capteur d'images utilisé dans le dispositif selon l'invention. Un capteur d'images électro-optique est composé de trois parties distinctes : une optique, qui projette l'image observée sur un élément photosensible qui génère un signal électrique proportionnel au flux lumineux qu'il reçoit et un système de balayage, qui permet de transformer les variations spatiales du flux lumineux en variations temporelles du signal électrique. L'invention utilise un capteur à l' état "solide", par opposition aux tubes à vide, ou caméra à transfert de charges - charge coupled devices (CCD) en vocable anglo-saxon -. Un tel capteur l comporte une barrette linéaire 2 ou une matrice de N éléments photosensibles, des photo-diodes ou des photo-transistors. Sur la barrette linéaire 2, les éléments photo-sensibles ont chacun une longueur a. Selon l'invention, le capteur d'images est dirigé vers le sol, la scène à analyser étant la route, dont on peut estimer que la texture reste constante sur de longues distances. Dans le cas où l' éclairage naturel est trop faible, la visée au sol peut utiliser une source lumineuse artificielle, assurant un éclairement constant et uniforme. Pour que des images délivrées par le capteur puissent être traitées en vue du calcul de la vitesse, les signaux analogiques fournis par le capteur sont numérisés, c' est-à-dire échantillonnés en points élémentaires dits pixels ("picture element"). La quantification de chaque pixel est donnée par un niveau et le nombre de pixels comme le nombre de niveaux de gris est fonction notamment du contraste de la route à observer et des résultats recherchés. Cette binarisation de l'image est assurée par un circuit comparateur 3 comparant le signal à une valeur de référence de niveau d' éclairement (figure 2). La figure 2 représente le schéma synoptique d' un premier exemple de dispositif de mesure selon l' invention. Dans cet exemple, le signal vidéo binarisé va servir à la corrélation d'images, mais la cadence de l' horloge H pilotant le fonctionnement de la caméra 1, est trop élevée pour permettre le traitement des images par corrélation. Aussi est-il nécessaire que le système de traitement comporte des moyens d' acquisition 4 de ces images numérisées, servant d'interface entre la caméra 1 et des moyens de corrélation 5 des images, deux à deux. Ces doyens d' acquisition 4 sont constitués tout d' abord comme le montre la figure 2 par deux registres à décalage 6 de N bits chacun, montés en parallèle et fonctionnant alternativement, et destinés à délivrer chacun, en parallèle sur N bits, les signaux entrant en série à un buffer 7 à N bits assurant Il interface avec le bus de données S. Les moyens d' acquisition 4 comprennent ensuite un circuit microprocesseur 9 destiné à recevoir les informations provenant des buffers 7 et à les traiter rapidement avant de les envoyer dans une mémoire vive 10-RAM-. Lorsque les images sont ainsi mises en mémoire, elles sont envoyées dans les moyens de traitement 5 destinés à effectuer une corrélation numérique des images deux à deux. Les moyens de corrélation 5 sont représentés sur la figure 3 et sont constitués par deux registres à décalage 11, montés en parallèle, de M bits chacun, associés à M circuits 12 sommateurs exclusifs de bits et à un circuit sommateur 13 connecté aux M sorties des circuits sommateurs 12. M bits d'une première image mémorisée sont enregistrés dans un des registres à décalage 11, M bits d' une seconde image sont enregistrés dans l' autre registre et on effectue une comparaison bit par bit de ces deux images, par des circuits "Non Ou Exclusif" par exemple, puis on somme les résultats de toutes ces comparaisons. Le microprocesseur commande ensuite le décalage de la fenêtre de M bits de la deuxième image dans le second registre, d' un bit à chaque fois, et on effectue à nouveau la corrélation entre les deux images. Le décalage est effectué jusqu' à obtenir le maximum de corrélation entre les images, maximum déterminé par le microprocesseur 9 qui en déduit alors la vitesse du véhicule. Pour synchroniser le fonctionnement du capteur d'images l et celui des moyens d' acquisition 4, le dispositif de mesure selon l'invention comporte les moyens de contrôle 14, constitués de plusieurs compteurs programmables générant différentes horloges à partir d' une horloge de référence H donnée par le microprocesseur 9. Les moyens de contrôle ainsi que le programme de fonctionnement du microprocesseur permettent également la commande différente des moyens de corrélation selon que les images captées sont uni ou bi-dimensionnelles. Le dispositif de mesure peut comporter des moyens d'affichage 21 de la vitesse et du déplacement du véhicule, comme par exemple des afficheurs à segments, affichage géré par un circuit 22 programmable assurant le rafraîchissement de ces afficheurs. Le fonctionnement du dispositif selon 1' invention, dont la réalisation vient d' être décrite, est le suivant. Pour obtenir une image analogique de la portion du sol vue par le capteur 1, les moyens de contrôle 14 envoient des signaux de commande au capteur dont les chronogrammes ont été représentés sur la figure 4. Toutes les informations provenant de la barrette photo-sensible par exemple sortent en série du capteur 1 à la fréquence fas dont le chronogramme est référencé 15. Le signal de déclenchement du temps d' exposition Te correspondant au temps qui s' écoule entre deux prises d'image, compris entre les instants tl et t4, est référencé 16. L' impulsion i0 du signal de déclenchement du début de chaque séquence de lecture par le capteur est représentée sur le chronogramme 17. Le signal d' acquisition de l'image dont la période est comprise entre les instants t2 et t3 est référencé 18. Les signaux de commande 15 à 18 permettent de plus la synchronisation entre la caméra et les moyens d1 acquisition 4 des images auxquels ils sont également appliqués. En sortie du capteur d'images 1, le signal vidéo 19 représenté sur la figure 4 est appliqué au circuit comparateur 3 qui le compare à une valeur de référence Vréf de niveau d' éclairement pour binariser l'image. Le comparateur 3 fournit en sortie un signal logique 20, dont le niveau haut est associé aux parties du signal vidéo 19 supérieurs à Vréf, suivant une technique dite de seuillage de l'image. Le seuil Vréf peut être asservi en fonction du signal logique 20 obtenu, grâce au processeur 9. L' acquisition des images délivrées par le capteur 1 est ensuite faite à l'aide des deux registres à décalage 6, sur 16 bits par exemple si la caméra a 1024 éléments photo-sensibles. Une fois les 16 premiers bits de chaque image entrés dans un premier registre 6, ces 16 bits sont envoyés dans un buffer 7 aussi à 16 bits pour être prélevés par le microprocesseur 9 pour les mémoriser dans la mémoire RAM 10. Pendant cette opération de transfert des bits du premier registre 6 à la RAM 10, les 16 bits suivants sont entrés dans le second registre 6 et ainsi de suite, les deux registres 6 fonctionnant en parallèle successivement. Le processeur 9 prélève aussi les bits représentatifs des images, 16 par 16, des buffers 7 vers la RAM 10.En fonction des bits arrivant dans la mémoire, le microprocesseur 9 adapte la valeur du seuil, de sorte qu'il n'y ait pas 1024 bits à 0 par exemple. Avant de comparer les images entre elles, on en mémorise un certain nombre, 10 environ de f024 bits chacune puis les moyens de traitement 5 compare les images deux à deux, 1' une servant de référence et l'autre étant parcourue par une fenêtre mobile. En général, pour connaître des vitesses de déplacement du véhicule correspondant à une marche avant comme à une marche arrière, on stocke dans le cas d'images unidimensionnelles, M = 64 bits pris au milieu de l'image i dans un registre à décalage Il du corrélateur 5 et on les compare à M = 64 bits de l'image i + 1 stockés dans le second registre 11. La comparaison a lieu tout d' abord pour des bits de l'image i + 1 antérieurs à ceux de l'image i puis se poursuit jusqu' au bout de l'image i + 1 comme le montre la figure 5, la fenêtre de corrélation de largeur égale à M bits se décalant de 1 bit à chaque comparaison entre ces images i et i + 1. Dans le cas d' une image bi-dimensionnelle 70 - figure 7 -, la fenêtre de corrélation 71, de dimensions égales à K X J pixels, de la première image i est choisie au centre de cette image i et la fenêtre de corrélation de l'image i + 1, de mêmes dimensions, se déplace d'un pixel de départ de l'image i + 1 antérieur à ceux de l'image i + 1 jusqu' au bout de cette image, selon les deux dimensions, d' un pixel à chaque déplacement. Lors de chaque comparaison, les bits de deux images sont additionnés entre eux deux à deux et le corrélateur délivre en sortie la somme des bits obtenue de façon à connaître le nombre de bits identiques d' un registre à 1' autre. Le décalage de la fenêtre de corrélation qui donnera la plus grande somme correspondra au déplacement DX de la portion de référence de M bits de l'image i dans l'image i + 1. Ce maximum de corrélation est déterminé par le microprocesseur 9. Le choix du nombre de bits de référence pris dans la première image de la corrélation, égal à 64, résulte d' expériences et correspond à un optimum assurant un bon compromis entre le temps de calcul et la précision de la mesure. Connaissant le temps d' exposition Te, la distance h du capteur 1 au sol et la focale 7 de la caméra, ainsi que la distance a entre chaque élément photo-sensible de la caméra, on peut évaluer la vitesse V du véhicule à 1' aide du décalage DX calculé par le microprocesseur 9, au moyen de la formule suivante Lorsque le dispositif de mesure doit faire 1' acquisition de K + 1 images, le microprocesseur commande la corrélation deux à deux des images successives et calcule ainsi K déplacements. C' est la moyenne de ces K déplacements qui sert d' estimation du déplacement DX pour faire le calcul de la vitesse V. La figure 6 représente le schéma synoptique d'un deuxième exemple de réalisation de dispositif de mesure, dans lequel on retrouve les moyens décrits dans le premier exemple. Dans ce second exemple, les moyens de corrélation 5 sont connectés à la sortie des moyens de numérisation 3 des images vidéo et effectuent la corrélation des images numérisées prises deux à deux, ces valeurs de corrélation étant ensuite mémorisées dans les moyens d' acquisition 4 destinés à effectuer leur acquisition directe en mémoire, dans une mémoire vive RAM par exemple. Comme pour le premier exemple de réalisation précédernment décrit, un circuit microprocesseur 9 détermine le maximum de corrélation entre les images à partir des valeurs de corrélation mémorisées. Des moyens de contrôle 14, générant différentes horloges à partir d'une horloge de référence H donnée par le microprocesseur 9, assurent la synchronisation du fonctionnement du capteur d'images 1 avec celui des moyens de corrélation 5 et d' acquisition 4. Le dispositif de mesure peut également comporter des moyens d'affichage 21 de la vitesse et du déplacement du véhicule, calculés par le microprocesseur 9. Le fonctionnement de ce dispositif est voisin de celui du dispositif précédent, leur différence résidant dans 1' ordre des opérations effectuées. Dans ce second cas, les images binaires, issues du circuit comparateur 3, sont aussitôt comparées entre elles, deux à deux, dans les moyens de corrélation qui en effectuent la corrélation, ces valeurs de corrélation étant ensuite mémorisées afin que le circuit microprocesseur 9 élabore le maximum de corrélation entre un certain nombre d'images. Selon une amélioration du traitement de corrélation, on teste la fenêtre de référence d' une première image servant à la corrélation, par le microprocesseur 9 par exemple, de façon à ne pas effectuer la corrélation s'il n' y a que des "O" ou des "1". On peut améliorer également la corrélation en utilisant le résultat obtenu à chaque comparaison entre deux images ; il permet de positionner plus précisément la fenêtre mobile pour les images suivantes dans la mesure où la vitesse du véhicule ne change pas totalement d' une image à 1' autre. Le dispositif de mesure selon l'invention affiche pour le conducteur une valeur moyenne calculée sur un certain nombre d' opérations, après avoir filtré au besoin les valeurs aberrantes au moyen d' un filtre numérique médian par exemple. Pour éliminer les valeurs erronées, ce filtrage sur 7 valeurs par exemple consiste à prendre les 6 derniers déplacements calculés par corrélation, à les classer par ordre croissant et à prendre la valeur médiane, dans ce cas la quatrième, pour faire le calcul de la vitesse. Pour mesurer des vitesses longitudinales, dans le cas de translations rectilignes du véhicule, le dispositif de mesure dont le capteur électro-optique est constitué d' une barrette linéaire d' éléments photo-sensibles, décrit auparavant, est tout à fait adapté. Pour mesurer à la fois la vitesse longitudinale et la vitesse radiale d'un véhicule, il suffit de remplacer la barrette par une matrice 70 d' éléments photo-sensibles et de corréler deux images bi-dimensionnelles comme le montre la figure 7. La détermination de la position du véhicule par rapport à une position initiale est obtenue en faisant la somme des déplacements calculés entre les prises de vue, dans les deux directions de déplacement du véhicule à partir d' un instant de référence. L'invention n' est pas bien entendu limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais comprend aussi tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si elles sont effectuées suivant 1' esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications suivantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la vitesse et de la position d' un mobile par rapport au sol comportant un capteur d'images électro-optique associé à un système électronique de traitement de l'information visuelle délivrée par le capteur, caractérisé en ce que le capteur d'images (1) vise le sol et est associé à des moyens de numérisation (3) des signaux vidéo et en ce que le système de traitement comporte - des moyens d' acquisition (4) de ces signaux numérisés - des moyens de contrôle (14) destinés à synchroniser le fonctionnement du capteur d'images (1) avec les moyens d'acquisition (4) ; et - des moyens de traitement (5) des images, destinés à calculer le maximum de corrélation numérique entre les images, prises deux à deux et à en déduire la vitesse et le déplacement du mobile. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que - les moyens d' acquisition (4) des images numérisées sont connectés à la sortie des moyens de numérisation (3) des signaux vidéo et effectuent la mémorisation des images - les moyens de traitement (5) des images comportent des moyens de corrélation connectés à la sortie des moyens d' acquisition (4) des images et effectuant la corrélation entre les images mémorisées, prises deux à deux. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que - les moyens de traitement (5) des images comportent des moyens de corrélation connectés à la sortie des moyens de numérisation (3) des signaux vidéo et effectuent la corrélation entre les images, prises deux à deux - les moyens d' acquisition (4) sont connectés à la sortie des moyens de corrélation (5) et sont destinés à effectuer 1' acquisition directe en mémoire des valeurs de corrélation entre les images. 4. Dispositif selon 1' une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le capteur d'images (1) comporte une caméra à transfert de charges composée d' éléments photo-sensibles, délivrant les signaux- vidéo en série et est associé à un circuit comparateur (3) programmable délivrant des signaux binaires. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur d'images (1) comporte une caméra à barrette linéaire (2) d' éléments photo-sensibles. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur d'images (1) comporte une caméra matricielle d' éléments photo-sensibles. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d' acquisition (4) des signaux numérisés sont constitués par - deux registres à décalage (6) de N bits chacun, montés en parallèle et fonctionnant alternativement, recevant en série les signaux numérisés ; - deux buffers (7) à N bits recevant en parallèle les signaux délivrés par les registres (6) et les transmettant à un bus de données (8) ; - un circuit microprocesseur (9), recevant les signaux des buffers (7) et les traitant rapidement ; - une mémoire vive RAM (10) mémorisant les signaux issus du microprocesseur (9). 8. Dispositif selon Il une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de corrélation (5) des images mémorisées dans la mémoire (10) sont constitués par deux registres à décalage (11), montés en parallèle, de M bits chacun, dans un desquels on mémorise une fenêtre de M bits d' une première image (i) et dans le second on mémorise une fenêtre de M bits d' une seconde image (i + 1), et par M circuits sommateurs exclusifs (12) associés chacun à un bit de chaque registre (11) et par un circuit sommateur (13) connecté aux M sorties des circuits sommateurs (12) et en ce que la fenêtre de corrélation se déplace dans la deuxième image (i + 1), d'un bit à chaque décalage jusqu' à l'obtention du maximum de corrélation calculé par le microprocesseur (9). 9. Dispositif selon 1' une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de contrôle (14) sont constitués par plusieurs compteurs programmables générant différentes horloges à partir d' une horloge de référence (H) donnée par le microprocesseur (9) et les envoyant simultanément au capteur d'images (1) et aux moyens d' acquisition (4). 10. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la fenêtre de corrélation, de dimensions égales à K x J pixels, de la première image (i) est choisie au centre de cette image (i) et en ce que la fenêtre de corrélation de l'image (i + 1), de mêmes dimensions, se déplace d'un pixel de départ de l'image (i + 1) antérieur à ceux de l'image (i + I) jusqu' au bout de l'image (i + 1) selon les deux dimensions, d' un pixel à chaque déplacement. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens de filtrage numérique médian associés aux moyens de corrélation, destinés à filtrer les valeurs aberrantes de vitesse calculées par le microprocesseur (9).