Brevet FR2637691A1 — publié le 19900413

'IDispositif de reDdraue d'objets mobiles". Le domaine de l'invention est celui des appareils de localisation et de repérage de machines ou objets mobiles, appareils destinés à fournir les coordonnées angulaires d'un ou plusieurs points de ces machines ou objets mobiles matérialisés, par un ou plusieurs émetteurs de lumière, les coordonnées étant évaluées par rapport au référentiel d'un dispositif d'observation ou caméra. On connaît déjà des appareils du type précite permettant de localiser un point ou d'analyser les mouvements de ce point dans un plan perpendiculaire à l'axe d'observation. Le point à observer est muni d'une diode émettrice de lumière commandée depuis le dispositif d'observation par une liaison câblée. Cependant cette liaison par. cible présente des inconvénients majeurs dans le cas d'applications où la distance entre le dispositif d'observation et le point à localiser est importante, notamment des risques de rupture du cabale par étirement. De plus, ces appareils- connus ne possèdent pas de codage de la source lumineuse permettant de distinguer les signaux émis par la source parmi les signaux parasites, ce qui perturbent considérablement les mesures de positionnement de l'objet à localiser. Dans ces appareils connus, la profondeur de champ du dispositif d'observation est fixe, ce qui presente un inconvénient dans le cas où l'objet à localiser se déplace en profondeur par rapport au dispositif d'observation. Par ailleurs, lorsque l'énergie lumineuse ambiante est très intense, le dispositif optique sature. On connaît aussi des dispositifs de localisation et de suivi d'un objet lumineux constitués de deux objectifs, l'un pour l'approche, l'autre pour la mesure, les deux objectifs ou caméras étant montés sur une tourelle i deux axes de rotation et asservie en continu par des moteurs de sorte que les rayons lumineux émis par l'objet se trouvent toujours dans l'axe optique des objectifs comme cela est décrit dans le brevet français n- 84 16119 du 22 octobre 1984 au nom de RATP. Ce type d'appareils connus est lourd et coûteux puisque nécessitant deux caméras de détection de position et présente les mêmes inconvénients que les appareils décrits ci-dessus. En conséquence, l'invention se propose de résoudre ces différents problèmes. Plus précisément, un premier objectif essentiel de l'invention est de proposer un dispositif de repérage d'objets mobiles qui permette de localiser un objet mobile dans l'espace par rapport à un référentiel, en définissant ces coordonnées- en représentation sphérique ou polaire, la localisation se faisant par détermination de deux angles ou d'un angle, et qui utilise une technique infrarouge avec un émetteur actif et codé sur l'objet mobile, sans liaison avec le dispositif d'observation, les signaux infrarouges étant codés et permettant au dispositif d'observation de se synchroniser sur l'émetteur en éliminant toute ambiguïté d'observation. Un autre objectif de l'invention est de fournir un dispositif de repérage d'objets mobiles capable de fonctionner dans un environnement parasité. Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un dispositif de repérage d'objets mobiles pouvant localiser plusieurs machines ou objets mobiles dans un même espace d'observation. Un autre objectif de l'invention est de fournir un dispositif capable de repérer des objets se déplaçant en profondeur par rapport au dispositif d'observation. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaitront par la suite sont atteints a l'aide d'un dispositif de repérage d'au moins un objet mobile du type comportant au moins une balise émettant des signaux lumineux, ladite balise étant solidaire de l'objet mobile i repérer, un dispositif optique de formation d'une image de ladite balise et un capteur de la position de l'image par rapport i l'axe optique du dispositif optique, ledit capteur étant constitué d'une photo cellule de détection de position restituant des éléments de position de la lumière reçue pour la détermination de son barycentre, caractérisé en ce que le dispositif optique de formation d'image est constitué d'un objectif, en ce que les signaux lumineux sont codés temporellement, en ce que le capteur est associé à un ensemble électronique fonctionnant de manière synchrone -avec le codage des signaux lumineux et fournissant la position relative de la balise par rapport à l'axe optique de l'objectif. De façon avantageuse, l'ensemble électronique comprend des moyens de combinaison desdits éléments de position, des moyens de mémorisation des combinaisons des éléments de position, des moyens de synchronisation pour la détection des instants d'émission des signaux lumineux codés provenant des balises, des moyens de calcul des coordonnées du barycentre de la lumière reçue à partir des combinaisons des éléments de position et des moyens de conversion d'un signal analogique en signal numérique et inversement. Selon une autre caractéristique de l'invention les moyens de combinaison sont constitués d'au moins deux sommateurs et deux différenciateurs. Selon une autre caractéristique de l'invention les moyens de synchronisation sont associés aux moyens de combinaison de préférence a un sommateur. Selon une autre caractéristique de l'invention l'ensemble électronique comprend des moyens de mémorisation de tables d'étalonnage. Ces tables d'étalonnage permettent de corriger les non linéarités du capteur et du système optique. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, 1'ensemble électronique comprend des moyens de mémorisation d'une base de temps permettant de mesurer le temps entre les impulsions infrarouges et synchroniser l'ensemble électronique avec ces impulsions de sorte i détecter de fausses impulsions dues à des parasites. Selon une autre caractéristique de l'invention le dispositif optique est muni de moyens d'amplification de signaux, à gain programmable, permettant de s'adapter à la proximité ou à l'éloignement de la ou des balises et garder ainsi une grande dynamique de mesure en profondeur de champ. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'objectif est à champ variable, permettant de s'adapter à la nécessité d'avoir soit un large champ d'observation et une résolution moyenne, soit un champ étroit et une haute résolution. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de repérage comprend des moyens de filtrage permettant d'éliminer les composantes parasites du rayonnement solaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront i la lecture suivante de la description de modes de réalisation préférentielle de l'invention, donnés i titre non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma de l'ensemble du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est un synoptique de l'ensemble électronique, - la figure 3 est un synoptique des moyens de filtrage, - la figure 4 est un schéma du dispositif de repérage muni d'un télémètre et monté sur une tourelle. Le dispositif de repérage selon l'invention permet de localiser au moins un objet mobile en le munissant d'un émetteur de lumière appelé balise 30, ladite balise 30 émettant des signaux infrarouges par exemple, comme visible en figure I. La balise 30 est codée et ne comporte aucun lien physique avec le dispositif d'observation et de localisation 10 appelé caméra de position. La balise 30 peut être munie d'une batterie pour assurer son autonomie. Le dispositif d'observation 10 est composé d'une optique de focalisation ou objectif 20 a champ fixe ou variable monté devant un filtre optique i bande étroite 17, et coopérant avec une cellule de détection de position 15 reliée à des préamplificateurs électroniques 16 de signaux issus de ladite cellule 15.La cellule d détection de position se compose d'une surface de silicium photo sensible coopérant avec des connecteurs de courant latéral, la photo-cellule de détection de position restituant des éléments de position de la lumière reçue pour la détermination des coordonnées de son barycentre. La position du barycentre de la lumière reçue est égale à la différence des courants reçus Xi respectivement sur chaque -connecteur opposé, c'est-à- dire (X1 - X2) ou (Y1 - Y2) proportionnellement à l'intensité globale (X1 + X2] ou (Y1 + Y2). Le dispositif de repérage se compose aussi d'un ensemble électronique 25 analogique et numerique capable de traiter les informations en provenance des préamplificateurs 16 et de se synchroniser automatiquement sur les impulsions de lumière émises par la balise 30 sans connaître a priori la technique de codage de ladite balise. L'ensemble électronique 25 est capable de calculer la position relative en angle de la balise 30 par rapport & l'axe optique de l'objectif 20 et ceci selon deux directions orthogonales perpendiculaires i l'axe dudit objectif. Lorsque la base de la caméra est dans une position horizontale, les angles mesurés sont ceux habituellement désignés par les termes de "site" et "azimut". L'ensemble électronique 25 est constitué de moyens de combinaison 35 desdits éléments de position en sortie des préamplificateurs 16, de moyens de mémorisation 40 des combinaisons des éléments de position, de moyens de synchronisation 45 pour la détection des instants d'émission des signaux lumineux codés provenant de la balise 30, de moyens de calcul des coordonnées du barycentre de la lumière reçue 50 et de moyens de conversion 55, 56, 57 d'un signal analogique en signal numérique et inversement, comme visible en figure 2. De façon préférentielle, les moyens de combinaison 35 sont constitués d'au moins deux sommateurs et deux différenciateurs effectuant respectivement les opérations Xl + X2, Y1 + Y2, X1 X2 t Y1 - Y2 (OÙ X1 t X2 r Y1 et Y2 représentent les éléments de position fournis par la photo-cellule de detection de position). Les moyens de synchronisation 45 sont constitués d'un comparateur & deux entrées, une première entrée correspondant à la sortie d'un sommateur appartenant aux moyens de combinaison 35, la seconde entrée correspondant i une valeur seuil VSC. Lorsque le niveau de la première entrée est supérieur au n-iveau de la seconde entrée, le comparateur envoie un signal au moyen de calcul 50 des coordonnées du barycentre de la lumière reçue i partir des sommes et différences des éléments de position, ce dernier autorisant les moyens de mémorisation 40 i enregistrer les valeurs en sortie des moyens de combinaison 35, c'est-à-dire X1+X2, Yl+Y2, Xl-X2 et Y1-Y2. De préférence, le moyen de calcul 50 est un microprocesseur. Selon un mode de réalisation préférentielle de l'invention on utilise une mémoire d'étalonnage 60 permettant de corriger les non linéarités du capteur 15 et du dispositif optique 20. Cette mémoire est directement lu par le moyen de calcul 50. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on utilise une base de temps 65 permettant de mesurer le temps entre chaque impulsion infrarouge d'une balise émettrice 30, de sorte i synchroniser l'ensemble électronique 25 avec ces impulsions et détecter en outre de fausses impulsions dues à des parasites. Dans un mode de réalisation préférentielle de l'invention, le dispositif de repérage d'objets mobiles pourra localiser plusieurs machines ou objets mobiles dans un même espace d'observations en équipant chacun des objets ou machines d'une balise possédant un même code ou un code différent. Il pourra aussi localiser plusieurs points déterminés d'une même machine. Le dispositif d'observation 10 sera alors capable de distinguer les différents objets entres eux par identification des balises 30 si ces dernieres sont codees spécifiquement. Dans le cas contraire, on pourra utiliser des balises émettrices pilotées depuis le dispositif d'observation par des voies de communication qui peuvent être du type liaison radio multifréquence. le dispositif d'observation pourra alors exciter successivement les différentes balises et les localiser. Selon une autre utilisation du dispositif de repérage, le dispositif d'observation 10 peut être embarquer sur une machine mobile et permettre à ladite machine de définir son orientation par rapport à un plan de référence en munissant ce plan de deux ou trois balises 30. Avec deux balises, dont on connaît l'écartement au préalable et par analyses successives de la position de ces deux balises, le dispositif d'observation pourra définir sa position sur un cercle passant par ces deux balises. Un déplacement linéaire mesuré du dispositif d'observation suivi d'une nouvelle mesure de la position des deux balises permettant alors de définir le positionnement absolu du dispositif d'observation et donc de la machine mobile le supportant.L'utilisation de trois balises, alignées sur un axe, dont les écartements sont connus permet un positionnement absolu en une seule mesure par évaluation de la position des trois balises à l'aide du dispositif d'observation. Dans les deux cas cités, il est nécessaire que le champ d'observation du dispositif d'observation et sa distance par rapport aux balises émettrices soit telle que les deux ou les trois balises se trouvent dans le champ optique du dispositif d'observation. De façon avantageuse, le dispositif de repérage est muni de moyens de filtrage électroniques 80 permettant d'éliminer le signal infrarouge parasite dû essentiellement au rayonnement solaire comme visible en figure 3. Un processeur micro-programmé 120 de facture spéciale, sera chargé à chaque instance de calculer le niveau d'infrarouge parasite à la sortie d'un des amplificateurs 16 et ceci indépendamment des pulses détectées. De façon préférentielle, la sortie du préamplificateur 16 est numérisé par un convertisseur analogique numérique 125 avant d'être transmise au processeur micro-programmé 120.Le processeur microprogrammé 120 pourra alors générer une tension de valeur absolue identique au niveau de l'infrarouge parasite mais de signe opposé via un convertisseur numérique analogique 130, la sortie de ce convertisseur étant sommee avec le signal en provenance du capteur de position. Pour réaliser cette sommation, on utilise de préférence quatre sommateurs 135 dont la sortie représente le signal actif non entaché du bruit infrarouge, ce signal pouvant alors être amplifié avant traitement numérique. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif d'observation 10 peut être muni d'amplificateurs i gain programmable 70 lui permettant de s'adapter i la proximité ou i l'éloignement de la balise 30 et garder ainsi une grande dynamique de mesure en profondeur de champ. De façon avantageuse, le dispositif d'observation 10 peut être muni d'un objectif i focal variable aussi appelé "zoom" de sorte & s'adapter à la nécessité d'avoir tantôt un large champ d'observation et une résolution moyenne, tantôt un champ étroit d'observation et une haute résolution permettant de régler le dispositif d'observation 10 en fonction de l'éloignement de la balise 30. De façon avantageuse, l'objectif à focal variable peut être remplacé par deux optiques et deux capteurs pour réaliser de façon instantanée le réglage du dispositif en fonction de l'éloignement de la balise sans avoir & actionner le diaphragme de l'objectif.L'une des optiques permet alors de localiser avec précision å grande distance, l'autre optique permet de localiser avec précision à courte distance tout en gardant le même champ d'observation. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif de repérage comporte en outre une piece mécanique 90 mobile selon deux axes de rotation, mise en mouvement par deux ensembles moteur pouvant avantageusement être du type plateau tournant ou moto-réducteur équipé de moteurs pas i pas ou courant continu, lesdits moteurs étant munis eux-meme de capteurs de position angulaire du type incrémental ou absolu. L'ensemble de la pièce mécanique 90 est asservi par un calculateur de sorte que le champ optique du dispositif d'observation 10 soit toujours orienté en direction de la balise 30, comme visible en figure 4. Cette configuration permet de localiser un objet même Si celui-ci comporte des trajectoires sortant du champ optique du dispositif d'observation. De façon avantageuse, le calculateur utilise un procédé d'évaluation de la position de l'objet dans le champ du dispositif d'observation, laissant immobile la pièce mecanique 90 tant que l'objet reste dans une fenêtre au centre du champ d'observation et active la pièce mécanique 90 lorsque l'objet se trouve entre -cette fenêtre et le bord du champ de façon à ramener l'objet dans ladite fenêtre. La position angulaire de l'objet est alors identifiée comme étant la somme des angles formés par le dispositif d'observation et la base de la pièce mécanique et des coordonnées angulaires de l'objet dans le champ du dispositif d'observation. Lorsque la base de la pièce mécanique 90 est dans une position horizontale, les angles mesurés sont habituellement désignés par les termes de "site" et "azimut". Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de repérage d'objets mobiles comporte aussi un télémètre 100 monté sur la pièce mécanique 90 supportant le dispositif d'observation 10. Le télémètre 100 peut être du type ultra sonore avec émission et réception séparée. Il peut aussi également être du type laser infrarouge. Dans ce dernier cas, il faut alors que la fenêtre de centrage soit réduite à une valeur inférieure à la largeur du faisceau laser de façon à ce que celui-ci soit orienté sur un réflecteur adapté dont sera alors équipée la balise 30. Afin d'élargir son angle d'émission et donc d'élargir la fenêtre d'observation du dispositif de repérage, le télémètre 100 pourra être équipé d'un organe de dispervion 110 rendant divergent le faisceau laser. Selon un autre mode de réalisation préférentielle de l'invention, le dispositif de repérage sera mobile selon seulement un axe de rotation. Il sera alors adapté au suivi de mobiles se déplaçant dans un plan déterminé parallèle au plan de référence du dispositif d'observation. Bien entendu, dans ce mode de réalisation, on peut adjoindre un télémètre i la caméra de détection de position fixe ou mobile. Le dispositif de repérage d'objets mobiles selon l'invention est destiné à faire du suivi et de la localisation d'engins mobiles ou de parties mobiles d'engins fixes. De façon typique, il peut, dans une de ces versions, localiser des chariots mobiles, des robots mobiles et n'ayant pas de système de guidage au sol. Ces plate-formes mobiles peuvent servir dans le nettoyage industriel ou dans le convoyage et le transport par exemple. Dans une autre forme, il peut localiser les parties mobiles d'un pont roulant ou d'une grue ou de tout autre engin de levage. Il peut aussi repérer un chariot roulant par rapport å un bâtis, repérer le câble ou le crochet par rapport au chariot i des points définis sur le sol. Il repère la flèche d'une grue par rapport à son embase. Dans ces différentes versions, il peut être utilisé pour automatiser ladite grue ou pont roulant. En connectant de tels dispositifs sur plusieurs ponts roulants et en les reliant i un calculateur, on peut ainsi réaliser un dispositif anti-collision entre grue ou pont roulant. Dans une autre forme, il peut localiser des engins de terrassement ou de creusement par rapport à un repère topographique sur le sol ou localiser une partie mobile d'un tel engin par rapport & l'engin lui- même comme par exemple le godet de creusement d'une pelleteuse. Dans une autre forme, il peut localiser deux ou trois points d'un même plan pour positionner celuici par rapport à une référence donnée, comme par exemple le plan de coupe du bouclier d'un tunnelier par rapport à une partie d'un tunnel déjà percé et suivre l'évolution en temps réel de ce plan ou de cette droite. Dans les différentes formes et domaines d'application, le dispositif de repérage peut soit fournir la position à l'instant donné, soit fournir la trajectoire complète du mobile et ceci en temps réel, soit s'intégrer dans un ensemble d'asservissement de position de vitesse ou d'accélération, en fournissant l'information de retour dans la boucle d'asservissement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemple de réalisation ci-dessus décrits, pour lesquels on pourra prévoir d'autres variantes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICAIONS 1) Dispositif de repérage dlau. moins une balise (30) émettant des signaux lumineux, ledit dispositif comportant en outre un dispositif optique (10) de formation d'une image de ladite balise et un capteur tel5) de la position de l'image par rapport à l'axe optique du dispositif optique, ledit capteur étant constitué d'une photo cellule de détection de position restituant des éléments de position de la lumière reçue pour la détermination des coordonnées de son barycentre, caractérisé en ce que le dispositif optique (10) de formation d'image est constitué d'au moins un objectif (20), en ce que les signaux lumineux d'une balise sont codés temporellement, en ce que le capteur (15) est associé à un ensemble électronique (25) se synchronisant avec le codage des signaux lumineux. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble électronique (25) comprend des moyens de combinaison (35) desdits éléments de position, des moyens de mémorisation (40) des combinaisons des éléments de position, des moyens de synchronisation (45) pour la détection des instants d'émission des signaux lumineux codés provenant des moyens d'émission (30), des moyens de calcul (50) des coordonnées du barycentre de la lumière reçue à partir des combinaisons des éléments de position et des moyens de conversion (55, 56, 57) d'un signal analogique en signal numérique et inversement. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens de combinaison (35) sont constitués d'au moins deux sommateurs et deux différenciateurs, 4) Dispositif selon les revendications 2 et 3 caractérisé en ce que les moyens de synchronisation t457 sont associés aux moyens de combinaison (35) de préférence à un sommateur. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que l'ensemble électronique (25) comprend des moyens de mémorisation de tables d'étalonnage (60), 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que l'ensemble électronique (25) comprend des moyens de mémorisation d'une base de temps (65). 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif optique (10) est muni de moyens d'ar..plification (70) de signaux, à gain programmable. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'objectif (20) est à champ variable. 9) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les signaux lumineux émis par la balise (30) sont des signaux infrarouges. 10) Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de filtrage (80) permettant d'eliminer les composantes parasites du rayonnement solaire. 11) Dispositif selon la revendication 1 comportant en outre une pièce mécanique (90) mobile selon au moins un axe de rotation et asservie pour orienter l'objectif (20) de manière à suivre une balise (30) animée d'un mouvement dans un espace plus grand que le champ de vision de l'objectif (20) et un télémètre laser infrarouge (100 > monté sur la pièce mécanique, dispositif caractérisé en ce que le télémètre (100) est muni d'un organe de dispersion (110) rendant divergeant le faisceau laser.