Brevet FR2596161A1 — publié le 19870925

DISPOSITIF DE MESURE POUR LA DETERMINATION DE LA POSITION D'UN OBJET L'invention se rapporte à un dispositif de mesure pour la détermination de la position d'un objet. De tels dispositifs de mesure sont par exemple uti.lisés en astronautique lorsqu'il s'agit notamment de rapprocher un engin spatial d'un autre en vue de les amarrer, l'amarrage n'étant possible que dans une position réciproque exactement définie des deux objets. A cet effet, à par10 tir de l'engin spatial se rapprochant, il faut déterminer la position relative de l'autre objet afin de pouvoir exécuter les corrections de position éventuellement nécessaire avant la manoeuvre d'amarrage. En tant qu'écart par rapport à la position de référence désirée, il peut interve15 nir des rotations ainsi que des basculement par rapport à la ligne de raccordement reliant les deux objets. Le problème de la détermination exacte de la position d'un objet cependant ne se pose pas seulement en astronautique, mais, par exemple, aussi dans les systèmes de manipulation automatisés dans lesquels certaines pièces du sys5 tème doivent sans cesse se rapprocher de certaines autres pièces dans une orientation donnée. En particulier dans le cas d'un objet se déplaçant par rapport au dispositif de mesure, on exige souvent que la détermination de la position puisse être exécutée avec une 10 grande résolution locale ainsi qu'avec une grande vitesse de mesure. L'objet de l'invention est précisément de mettre au point un dispositif de mesure du type précité qui soit capable de répondre à cette exigence. Ce résultat est atteint par le fait que le dispositif de mesure renferme les éléments suivants: plusieurs sources lumineuses placées sur l'objet et modulées en intensité respectivement avec des fréquences de code différentes, une optique reproduisant l'objet avec les sources lumineuses sur un détecteur sensible à la position ainsi qu'un 20 dispositif d'interprétation calculant simultanément les coordonnées d'image des sources lumineuses à partir des signaux de sortie du détecteur en utilisant un procédé de multiplexage en fréquences. Le facteur essentiel pour l'invention est l'emploi d'un 25 détecteur dit sensible à la position qui garantit une grande résolution locale. La grande vitesse de mesure est obtenue par le fait que les sources lumineuses placées sur l'objet sont modulées en intensité avec différentes fréquences de code et que, du côté du détecteur, on utilise un procédé de multiplexage en fréquences pour l'interprétation. Les positions de toutes les sources lumineuses peu5 vent être ainsi être déterminées en même temps. Un détecteur sensible à la position est une diode à semiconducteurs de surface relativement grande qui, grâce à un dopage approprié, présente une structure pin perpendiculairement à ses surfaces, les couches p et n étant réali10 sées sous la forme de minces couches superficielles à résistance électrique de surface très constante. Sur les bords de ces couches superficielles sont respectivement appliquées des paires d'électrodes mutuellement opposées qui ont de préférence la forme de bandes rectilignes. Une tel15 le paire d'électrodes peut par exemple être disposée sur la face supérieure, de conduction n, et une autre sur la face inférieure, de conduction p, de la diode, mais il est aussi possible de placer simplement deux paires d'électrodes sur l'une des surfaces. Pour une détermination de coordonnées bidimensionnelles, il faut que les deux paires d'électrodes soient respectivement orientées perpendiculairement l'une par rapport à l'autre. Lorsqu'un tel détecteur sensible à la position est éclairé en un point quelconque de sa surface qui est situé entre les paires d'électrodes orientées perpendiculairement l'une par rapport à l'autre, il se produit en cet endroit des porteurs de charge qui migrent vers les électrodes, à supposer qu'une tension continue constante soit appliquée dans le sens bloquant entre les paires d'électrodes. Les composantes du courant s'écoulant au niveau des différentes électrodes d'une paire sous l'effet de cette tension sont inversement proportionnelles aux résistances de surfaces se trouvant respectivement entre le point éclairé et les deux électrodes. Ces résistances de surface sont elles-mêmes directement proportionnelles aux distances respectives entre le point éclairé et les élec10 trodes. De cette façon, en mesurant les courants partiels qui proviennent de deux paires d'électrodes orientées'perpendiculairement l'une par rapport à l'autre, on peut déterminer exactement les coordonnées d'un point éclairé. Un avantage particulier en pareil cas est que,pour la mesure, 15 on détermine le centre d'un spot lumineux. Il n'est, par conséquent, pas nécessaire de reproduire nettement à l'aide d'une optique une source lumineuse, par exemple ponctuelle, sur le détecteur sensible à la position se trouvant dans son plan d'image, la mesure de la position est 20 donc précise même en cas de mise au point imparfaite. En plus de l'emploi d'un détecteur sensible à la position, il est essentiel pour l'invention que plusieurs sources lumineuses, de préférence des diodes luminescentes (LED) qui sont modulées en intensité respectivement avec 25 des fréquences de code différentes, soient placées à distance les unes des autres sur l'objet dont la position doit être déterminée. Les sources lumineuses ainsi utili- sées sont reproduites par une optique sur le détecteur sensible à la position disposé dans son plan d'image. Il s'y forme donc des courants partiels également modulés en fréquences à partir desquels les coordonnées d'image corres5 pondantes des sources lumineuses sont calculées numériquement dans un dispositif d'interprétation monté derrière. La modulation d'intensité codée en fréquences des sources lumineuses trouve sa justification dans l'emploi d'un procédé de multiplexage en fréquences qui est accordé aux fré10 quences de code utilisées. De cette façon, il est possible de déterminer simultanément les coordonnées locales des points d'image des sources lumineuses d'o il résulte ensuite la position relative de l'objet par rapport à la caméra contenant l'optique ainsi que le détecteur attendu 15 que la disposition des sources lumineuses sur l'objet est connue. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé qui représen20 te schématiquement: - figures la - lc des vues respectives en coupe transversale et en plan d'un détecteur sensible à la position avec cablage électrique; - figure 2 un schéma synoptique d'un dispositif de mesu25 re selon l'invention. La figure la représente en coupe transversale (suivant A-A de la figure lb) un détecteur sensible à la position 5 (PSD = position sensitive detector). Le détecteur sensible à la position 5 a la structure d'une diode, et ce, en ce sens que dans un corps semiconducteur tout d'abord intrinsèque se présentant sous la forme d'une mince rondel5 le, les couches superficielles supérieures et inférieures sont respectivement dopées en sens contraire. On obtient ainsi sensiblement la structure p+in+ représentée. Le matériau semiconducteur intrinsèque peut, par exemple, être du silicium ou un autre matériau habituellement utilisé pour 10 la fabrication de diodes à semiconducteurs. Conformément aux figures la et lb, sur la face supérieure, tournée vers la lumière incidente, du détecteur 5, sont installées deux électrodes 8 en forme de bandes formant'une paire d'électrodes. Sur la face inférieure du détecteur 5 sont instal15 lées deux autres électrodes 9 en forme de bandes formant également une paire d'électrodes, ces électrodes, quant à leur orientation, étant disposées perpendiculairement à la paire d'électrodes 8. Les deux paires d'électrodes 8 et 9 sont respectivement disposées sur les bords des couches su20 perficielles. Les couches superficielles de conduction p+ et n+, ont une résistance électrique de surface très uniforme. Sur la diode constituée par la structure p+in+, on applique une tension continue constante Uo dans le sens bloquant. Si aucune lumière ne tombe sur le détecteur 5, 25 il ne s'écoule que des courants d'obscurité négligeables. Lorsqu'un point P de la surface du détecteur 5 reçoit de la lumière, celle-ci est absorbée en dessous du point P dans la couche i et libère en cet endroit des charges électriques (paires d'électrons-trous). Ceux-ci sont alors attirés vers les électrodes 8, 9 sous l'effet de la tension continue appliquée Uo. Il se produit alors sur les électro5 des une répartition du courant qui dépend de la position du point P (x, y) dans le système de coordonnées cartésiennes x, y formées par les électrodes 8, 9 en forme de bandes, l'origine de ce système de coordonnées se situant en bas à gauche dans le carré des électrodes de la figure lb, 10 et les coordonnées x, y pouvant prendre des valeurs comprises entre 0 et 1. Les courants partiels I'x ainsi que-I''x s'écoulant du point P (x, y) par les deux électrodes 8 sont inversement proportionnels aux résistances de surfaces partielles Rx ainsi que R(l-x) situées entre ce point 15 P et les électrodes 8. Pour les courants partiels I'x et I''x, il en résulte les formules mathématiques suivantes dans lesquelles R représente la résistance de surface située entre les deux électrodes de la paire d'électrodes 8: O (-x) R I = xI x 1 1 (1-x)R + xR Ix = (1-x)I Il en est de même pour les courants partiels Il'y ainsi que I''y. Par la formation des sommes, des différences ainsi que des quotients à partir des courants partiels mesurés, on peut alors facilement établir les expressions sui5 vantes: = x x y I x I"x= + I|x Y I" + I' x x y y dans lesquelles entre les quotients Sx, Sy ainsi qu'en10 tre les coordonnées x et y il existe la relation suivante: S =2x - 1, Sy = Zy-1 A partir de là, on peut finalement calculer de façon 15 simple les coordonnées x et y. La figure lc représente une sorte de schéma équivalent pour le détecteur sensible à la position 5. La tension continue appliquée Uo apparaît tout d'abord au niveau des paires d'électrodes 9 et 8 respectivement symbolisées à la fi20 gure lc par des points de raccordement communs. Les deux résistances de surface partielles Ry et R(1-y) sont disposées parallèlement entre la paire d'électrodes 9 sur la face inférieure du détecteur 5 et le point, situé en dessous du point P, de la couche n+. Vient ensuite une résis25 tance interne Ri qui indique la résistance inductive de la couche i dans la zone du point P. Le circuit électrique est fermé par les résistances de surface partielles Rx et R(1-x) montées en parallèle ainsi que par la paire d'électrodes 8 placée sur la face supérieure du détecteur 5. Le courant total I, qui s'écoule par la résistance interne Ri, se divise en courants partiels I'y, Il''y ainsi que I'x et I' 'x sur les faces inférieure et supérieure du détecteur 5. Avec un détecteur sensible à la position, dont un exemple est donné à la figure 1, on peut mesurer simultanément les coordonnées non seulement d'un point, mais aussi de plusleurs points éclairés, lorsque l'éclairement est modulé en intensité avec différents codages des fréquences. On obtient alors des courants continus pulsés avec les fréquences correspondantes qui sont tout d'abord superposés au niveau des électrodes et qui doivent ensuite être à nouveau séparés les uns des autres en utilisant un procédé de multiplexage en fréquences. Cela s'effectue par exemple de la façon illustrée à la figure 2. A la figure 2, on a représenté un objet 1 dont la position doit être déterminée, une caméra 17 avec une optique 6 ainsi qu'un détecteur sensible à la position 5 dans son plan d'image et, pour finir, un dispositif d'interprétation 7. Sur la surface extérieure de l'objet 1 on a installé ici trois sources lumineuses 2, 3 et 4, par exemple des diodes luminescentes, et ce, d'une manière dépendant de la configuration de la superficie de l'objet 1. Les sources lumineuses 2, 3 et 4 sont modulées dans leur intensité avec tro:s fréquences différentes fi, f2 ainsi que f3, à l'aide d'un modulateur 18 qui peut être présent dans l'ob- jet 1. Les sources lumineuses 2, 3 et 4 sont reproduites par l'optique 6 de la caméra 17 sur la surface du détecteur sensible à la position 5 en formant des points d'image Pi, P2 et P3. Sur la figure 2 on n'a représenté ni la 5 source de courant continu Uo pour le détecteur 5, ni les dispositifs de mesure pour les courants partiels I'x, I''x, I' et I''y (voir figure 1). Les signaux de mesure correspondants, en l'occurrence des courants continus pulsés superposés, sont envoyés & un dispositif d'interprétation 7 10 qui, en utilisant un procédé de multiplexage en fréquences, calcule les coordonnées d'image xi, yî et X2, Y2 ainsi que X3, y3 des points d'image P1, P2 et P3 des sources lumineuses 2, 3 et 4. Le dispositif d'interprétation 7 peut comprendre un or15 gane totalisateur 10, des filtres sélectifs de fréquences 11,12 et 13 ainsi que des unités de calcul 14, 15 et 16. Dans l'organe totalisateur 10, on forme les sommes et les différences des quatre courants partiels. On les applique ensuite simultanément aux trois filtres sélectifs de fré20 quences 11, 12 et 13 qui sont accordés avec bandes étroites aux fréquences de modulation fi, f2 et f3. Aux sorties de ces filtres sélectifs de fréquences apparaissent alors simultanément les sommes et les différences des courants partiels rapportés aux différents points d'image Pi, 25 P2 et P3.A partir de ces sommes et de ces différences, on forme, pour finir, dans les unités de calcul 14,15 et 16 les quotients Sxl, Syi etc. grâce auxquels, comme mention- né ci-dessus, on peut calculer et extraire de façon simple les coordonnées xi, y etc. des points d'image. A la suite de cela, on a la possibilité de visualiser les points d'image sur un moniteur, de les représenter sur un enregistreur graphique ou de les mémoriser. Bien entendu, non seulement le dispositif de mesure n'est pas limité à l'emploi de trois sources lumineuses, mais le nombre des sources lumineuses peut aussi être calculé d'après la complexité de la configuration de la super10 ficie de l'objet 1, Le nombre des filtres sélectifs de fréquences et des unités de calcul à utiliser se détermine également d'après le nombre des sources lumineuses. Il va de soi que les filtres sélectifs de fréquences ainsi que les unités de calcul peuvent aussi être respectivement groupés dans un seul multiplexeur ou dans une seule unité de calcul. Une variante du dispositif de mesure.décrit consiste à ne pas utiliser de sources lumineuses émettant elles-mêmes de la lumière, mais à éclairer l'objet ponctuellement 20 en plusieurs endroits, par exemple avec une lumière laser, cet éclairement étant respectivement modulé en intensité avec différentes fréquences de code. A la place des sources lumineuses actives, ce sont alors les spots lumineux réfléchis, modulés en intensité et codés en fréquences, sur la surface de l'objet, qui sont reproduits par l'optique 6 sur le détecteur sensible à la position. Tout le reste se passe ensuite comme décrit ci-dessus. Le dispositif de mesure selon l'invention se caractérise par une grande précision ainsi que par une identification simultanée non équivoque de plusieurs sources lumineuses. Leurs signaux ne traversent pratiquement qu'un seul et même composant de traitement des signaux. Les effets de dérive n'interviennent donc pas en tant qu'erreurs relatives des valeurs des coordonnées des différentes sources lumineuses les unes par rapport aux autres. Le bruit équivalent à la largeur de bande de la démodulation (procédé de 10 multiplexage en fréquences) peut être choisi très petit conformément à la vitesse de mesure nécessaire. On obtient ainsi un écart signal-bruit de grandeur correspondante qui détermine directement la résolution du dispositif de mesure. Moyennant une démodulation adéquate on suppri15 me complètement les sources parasites. Elles n'ont donc aucune influence sur la résolution et la précision de mesure du procédé. Pour la modulation de l'intensité codée en fréquences, on peut par exemple utiliser des impulsions rectangulai20 res avec les fréquences d'impulsions 1000, 1700 ainsi que 2400 Hz. La résolution susceptible d'être atteinte du détecteur se situe à 0,01 gm. Les sources parasites avec l'intensité multipliée par 1000 des sources lumineuses n'ont apparemment aucune influence décelable sur la techni25 que de mesure des coordonnées. Les surfaces des détecteurs se situent dans un ordre de grandeur d'environ 100 mm2. Le dispositif de mesure a été éprouvé pour des pla- 2596161 13 ges de distances comprises entre 20 cm et 200 m. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure pour déterminer la position d'un objet, caractérisé par le fait qu'il comprend plusieurs sources lumineuses (2, 3, 4) placées sur l'objet (1) et modulées en intensité respectivement avec des fréquences de code différentes, une optique (6) reproduisant l'objet (1) avec les sources lumineuses (2, 3, 4) sur un détecteur sensible à la position (5) ainsi qu'un dispositif d'interprétation (7) calculant simultanément les coordonnées d'images des sources lumineuses (2, 3, 4) à partir des signaux de sortie du détecteur (5) en utilisant un procédé de multiplexage en fréquences. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on utilise un détecteur sensible à la position (5) comprenant deux paires d'électrodes (8, 9) orientées perpendiculairement l'une par rapport à l'autre et définissant les sens (x, y) des coordonnées et que le dispositif d'interprétation (7), côté entrée, comporte un organe totalisateur (10) formant respectivement la somme et la différence à partir des deux 20 signaux de sortie de chacune des deux paires d'électrodes. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend plusieurs filtres sélectifs de fréquences (11, 12, 13) montés parallèlement derrière l'organe totalisateur (10) et respectivement 25 accordés à l'une des fréquences de code. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comprend des unités de calcul (14, 15, 16) montées derrière les filtres sélectifs de fréquences (11, 12, 13) et calculant les coordonnées d'images des sources lumineuses (2, 3, 4) à par5 tir des signaux des sommes et des différences sélectionnés.