Brevet FR2582106A1 — publié le 19861121

-SYSTEME DE VISION TRI-DIMENSIONNEL POUR ROBOT L'invention se rapporte a un dispositif de localisation des objets dans un espace tri -dimensi onnel ,en angles et en distance par rapport à un point prigine,ceci en un temps suffisamment bref pour équiper un automate pouvant se déplacer ou analyser des objets se déplaçant par rapport a lui.Ce dispositif est réalisé par le balayage d'un pinceau lumineux de faible diamètre dont les coordonnées d'espace sont connues (angles) et la mesure des distances par la mesure du décalage du signal de réflexion de ce pinceau lumineux apparaissant sur l'image d'une caméra de télévision, ces mesures étant réalisées selon les principes du décalage des prises de vue stéréoscopiques.Toutes ces informations.sont stockées ensuite dans un systeme de mémoires informatiques très compact, ce qui est rendu possible par l'utilisation des adresses de cette mémoire comme coordonnées angulaires et les distances aux objets par les données. Jusqu'a présent plusieurs systèmes ont été utilisées pour essayer d'analyser la forme des objets ou leur distance. Des systèmes télémetriques, tel que la mesure du temps de parcours d'une impulsion d'onde électromagnétique (type radar) mais la vitesse de propagation des ondes étant celle de la lumière la mesure des courtes distances est très difficilement réalisable (impulsions très brèves et temps d'analyse très rapide). Un autre dispositif semblable peut être réalisé a l'aide d'ondes sonores ou ultrasonores mais la diffusion est telle que nous n'avons pas suffisamment de précision pour la reconnaissance des objets. Un autre système télemétrique est utilisé par la mesure du déphasage de la modulation d'un faisceau laser réfléchi par un cataphote (télémètre laser). Ce système nécessite un appareillage de renvoi de l'onde lumineuse et fonctionne bien pour des longues distances. Des systèmes holographiques, mais on ne peut avec une caméra utiliser la partie visible du spectre ni même l'infrarouge car l'écartement des franges d'interférences est trop étroit (environ lum > et dans le domaine des longueurs d'ondes plus grandes il n'existe pas de caméra. Cependant il existe un système utilisant les inter+érences ultrasonores dans les mêmes conditions que l'holographie optique, la captation se faisant sur un écran à cristaux liquides. Un calcul par ordinateur permet de remonter ensuite à la position des différents points de l'objet, mais le temps de calcul est très long. Des systèmes de reconnaissance de forme qui permettent d'avoir des informations sur la forme, le périmètre, la surface, les dimentions relatives, mais auxquels il manque la profondeur. Des procédés stéréoscopiques classiques par analyse et comparaison point par point et ligne par ligne des deux signaux uidéo de deux caméras, nécessitant des alignements optiques délicats, ne donnant les distances que sur des changements d'intensité su de couleur, ignorant les surfaces planes et unies telles que les murs, les sols etc.. Un autre procédé est encore utilisé donnant l'image d'une courbe de niveau sur l'objet à analyser par la rencontre d'un plan lumineux, fourni par un laser, en interaction avec l'objet et lu par une caméra formant un certain angle avec le plan lumineux. Ce procédé qui reconnatt le contour de l'objet s'apparente aux systèmes de reconnaissance de forme, il ne donne pas la distancie et est un dispositif beaucoup trop lourd pour un automate devant se déplacer. I1 est plus particulièrement adapté a poste fixe pour reconnattre le positionnement des objets dans une chaîne de production. L'invention permet contrairement aux procédés cités ci-dessus de localiser les objets angulairement mais également d'en connaître leur éloignement ce qui représente un positionnement tri-dimensionnel de l'environnement d'un robot. La figure 1 représente un schéma de fonctionnement d'un système stéréoscopique permettant d'expliciter l'invention par substitution d'un faisceau laser a l'une des caméras. La figure 2 représente des schémas d'analyse de décalage des signaux électroniques d'un mme point de l'objet permettant d'en mesurer son éloignement. La figure 3 représente un système de balayage vertical du faisceau laser pendant que la caméra analyse sur les lignes horizontales l'image du faisceau réfléchi. La figure 4 représente schématiquement une forme d'exécution du système de vision destiné à équiper un automate. L'invention est basée sur le principe de prises de vues stéréoscopiques. Selon ce principe nous obtenons deux images dont les centres sont espacés de la distance "d" comme représenté sur la figure 1 (pour l'être humain cette distance est fixée en moyenne à 6,5 cm). Cette distance "d" pouvant autre modifiée en fonction des applications particulières que l'on voudra donner au système de vision, l'effet de relief sera augmenté ou diminué en fonction de cet écartement; mais ceci entrainera des effets secondaires sur la zone de recouvrement des images "2". Nous voyons que seule la zone 11211 représentée sur la figure 1 est commune aux champs des deux caméras identiques et que seule cette zone comportera des images communes. Dn en déterminera une distance minimale à laquelle les objets pourrons apparaftre sur les deux images, distance "1" représentée par le plan "a". Tout objet placé dans les zones "f" ne sera vu que sur une seule des images et ne pourra faire l'objet d'aucune mesure de distance. Ces zones "f" représentent un pourcentage de chacune des images qui varie en fonction de la distance, sur la gauche pour la caméra de gauche et sur la droite pour la caméra de droite (ces images étant supposes redressées). En effet ce pourcentage sera de 100% au niveau du plan "a" et ira en décroissant vers 0% en s'éloignant.Un objet qui apparaftrait complètement à droite sur l'image de gauche à la distance Wa"+ serait vu complètement à gauche sur l'image de droite. Donc un point 1M1 situé dans la zone commune ZZw sera enregistré sur les deux images K1 et K2 par le point I de K1 et son homologue I' de K2 situes sur la même ligne de balayage des deux caméras et ces points présenteront un décalage de leurs signaux *D", comme représenté en fi-gure 2. Le décalage "D" est inversement proportionnel à la distance du point wMw au point de focalisation des images de K1 et KZ. La distance au point NMN est de k. 1/D (k dépend de l'optique utilisée). Si le champ d'ouverture "#" des deux caméras est identique, le champ d'ouverture de la partie commune "Z" leur est également identique. Nous pourrions appeler ce point d'intersection ilO à la distance "1" du point focal le point origine des distances mais cela nécessiterait des calculs de correction notamment angulaires assez longs, aussi il sera préférable de prendre pour origine le point focal de l'une des caméras, par exemple la première, que nous appellerons "0'". L'invention consiste à remplacer l'une des caméras par un faisceau de lumière étroit balayant le meme secteur que. cette caméra, ayant pour origine le point focal "O'" et dont à chaque instant les coordonnées angulaires,c'est à dire la prolongation de l'axe de ce faisceau vers l'arrière sur le plan image ki, coupe celui-ci à l'endroit od nous aurions eu l'image de la réflexion de ce faisceau si nous avions encore une caméra.Nous pouvons donc a chaque instant connattre la position sur l'image en connaissant les positions angulaires du faisceau (en "I" pour le point M" Figure 1). En partant de cela l'autre caméra enregistre la réflexion du faisceau lumineux et la mesure de "D" se fait entre ce point calculé et l'image de la réflexion du pinceau lumineux sur la caméra au point "I'", l'angle du faisceau lumineux déterminant les angles O et P d'un système de coordonnées sphériques axé sur le point n Oo Ij que nous utiliserons également par la suite pour stocker l'information. D'une façon pratique il sera préférable d'utiliser comme source de lumière un faisceau laser monochromatique pouvant travailler dans le visible ou l'invisible (infrarouge) et munir la caméra d'un filtre centré sur la longueur d'onde du laser, ce qui permet de s'affranchir de l'éclairage ambiant. La vitesse de la lumière étant très grande mais pas infinie, elle parcourt 30 cm en une nanoseconde (10-9 seconde), donc pour un aller et retour de la lumière nous mesurerons en une nanoseconde une distance de 15 cm. Si nous voulons par exemple mesurer les objets jusqu'à une distance de 10 mètres il faudra a6,7 ns avant de pouvoir passer au point suivant sur la ligne sans compter le temps de traitement de l'information. Un système de balayage vertical du faisceau laser permet de traiter une lignes pendant que l'on enregistre les suivantes, c'est à dire en balayant les premiers points Pi des N lignes par le faisceau laser en synchronisme avec le balayage de la caméra, puis en passant aux deuxièmes points P2 des N lignes etc. jusqu'aux points Pn, ces lignes N étant celles analysées par la caméra comme indiqué sur la figure 3. Ceci permettra la mesure de D" sur la première ligne pendant que l'on scrute les suivantes. De plus un système multi-processeurs gérant chacun un certain nombre de lignes permettra d'augmenter la vitesse d'analyse. Le faisceau réfléchi pouvant présenter une image ou impulsion très élargie par diffusion de la lumière sur les objets, il sera intéressant de faire une différentiation du signal et de détecter le passage à zéro comme étant le centre de la tache lumineuse, point le plus probable de l'objet. Une variante a ce système consisterait à balayer rapidement tous les points Pi plusieurs fois par le laser afin de s'affranchir du synchronisme avant de passer aux points P2 etc.. Une autre variante de ce système consisterait à remplacer le balayage vertical du laser par un plan lumineux issu de ce meme laser à l'aide d'une lentille hémisphérique, il n'y aurai t plus alors qu'à déplacer ce plan point par point pour balayer toute l'image. Ce système présente l'avantage de ne nécessiter qu'un seul balayage horizontal du faisceau laser. Maintenant que nous savons comment mesurer la distance 1R1 d'un point 'Q" aux objets nous allons voir comment nous pouvons la stocker en mémoire et la manière d'organiser celle-ci pour localiser tous les objets dans l'espace afin de pouvoir l'exploiter ultérieurement. En premier lieu i1 convient de préciser qu'un automate n'a pas de persistance oculaire, il est donc indifférent au sautillement des images. Les seuls critères de rapidité pour cette analyse sont la vitesse de déplacement du robot ou celle des objets se déplaçant par rapport a lui ou les deux, par rapport a son temps de réaction. D'autre part les systèmes stéréoscopiques ne donnent pas une grande séparation des objets situés à grande distance, l'écart entre les impulsions diminue, la distance "D" devient très petite et difficilement mesurable. Si on veut palier cette difficulté il faut augmenter la distance d" entre le laser et la caméra. La précision dont on aura besoin pourra autre en valeur absolue inversement proportionnelle à la distance "R" par exemple 10X de.cette distance. 11 sera alors pratique de ranger ces informations de façon à ce que ces distances soient représentées par un octet, soit 256 points possibles représentant le vecteur "R". Dans un système de coordonnées polaires R,O,(p ayant pour origine le point O' (origine du balayage laser), on divise l'espace visualisé en 256 secteurs verticaux et 256 tranches horizontales, chacun de ces secteurs ou tranches représentant un angle de 1 du champ visualisé. Ces secteurs et ces tranches 256 seront représentés par les poids fort; 8 bits et les poids faibles 8 bits des adresses.16 bits d'un module mémoire 64 K.octets, mémoire pouvant être gérée par un microprocesseur 8 bits, le vecteur IR étant contenu dans les 8 bits des données de cette mémoire. I1 sera ensuite facile, pour un automate, de lire le contenu de cette mémoire pour avoir tous les renseignements concernant son environnement spatial. La figure 4 montre le dispositif tel qu'il pourra tre réalisé, comprenant un laser 1 et son faisceau direct 8, son dispositif de balayage du dit faisceau en 2 qui pourrait astre par exemple un dispositif acousto-optique, un système de commande du balayage du faisceau laser en 5 avec une retransmission vers 6 des coordonnées angulaires de ce faisceau, une caméra 4 enregistrant la position du faisceau réfléchi 9 par un des objets de l'environnement, une électronique de mesure du décalage 6 entre la position du faisceau laser B et la position du faisceau réfléchi 9 (mesure de D"), ce dispositif 6 devra en plus calculer le vecteur R1=k.-1, une mémoire de stockage des informations 7 enregistrant les données spatiales R,8,? en provenance de 6. Cette mémoire visuelle pourra ensuite autre lue et servira à tout automate ou robot dans ses déplacements ou manipulations. Les asservissements ne faisant pas partie de l'invention nous ne les envisagerons pas ici. L'invention pourra atre utilisée dans un très grand nombre d'applications. En voici quelques unes, cette liste n'est pas limitative. Sur tout automate devant se déplacer seul par exemple dans un atelier, un magasin, une usine, un chantier, ou sur un bras manipulateur, ou couplé à un dispositif de reconnaissance de forme etc.. On peut aussi envisager son utilisation dans l'espace puisque le système peut travailler sous vide et comporte son propre système d'éclairage. REVENDICATIONS 1- Dispositif de localisation d'objets tri-dimentionnels, comportant un organe d'éclairage par faisceau laser t1) et un système photodétecteur (4) de la lumière du laser réfléchie par les objets caractérisé en ce qu'il comporte un organe d' éclairage (1) (2) agencé pour former sur la surface de l'objet (3) un point lumineux, des organes photodétecteurs (4) agencés et disposé pour capter uniquement la lumière réfléchie par ce point lumineux et former une image de ce point, un dispositif electronique (6) et une mémoire de stockage (7). 2- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'organe d'éclairage 3- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les photodetecteurs (4) sont équipé d'un filtre monochromatique centré sur la longueur d'onde du laser qui permet de stafranchir de l'éclairage ambiant. 4- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'image apparaissant sur les photodétecteurs (4) est obtenue par un balayage vertical du faisceau laser ( 2) soit point par point verticalement en synchronisme avec le balayage horizontal des photodetecteurs (4), soit par plusieurs balayages rapides de ce dit faisceau ( 2), soit par un plan lumineux de ce dit faisceau 5- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un agencement spécial de la zone mémoire (7) où sont stockées les informations de positionnement des objets tel les que les adresses de cette mémoire contiennent les coordonnées angulaires de l'objet (3) alors que les distances sont stockées dans les données et contribue à diminuer le nombre de mémoires nécessaires pour contenir toutes ces informations.