Brevet FR2651572A1 — publié le 19910308

PROCEDE ET INSTALLATION DE LOCALISATION TRIDIMENSIONNELLE D'UN ENGIN MOBILE DANS UNE ZONE BALISEE. DESCRIPTION L'invention concerne un procédé permettant de réaliser la localisation tridimensionnelle d'un engin mobile se déplaçant dans une zone de travail balisée, ainsi qu'une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. Un tel procédé est utilisable notamment dans le domaine des travaux publics, afin d'aider Les conducteurs des engins de chantiers à réaliser des ouvrages tels qu'une route, une voie de chemin de fer, etc., à partir d'informations relatives au tracé de ces ouvrages, fournies par un ordinateur. Actuellement, l'évolution de tels travaux est contrôlée par des géomètres, au fur et à mesure de leur réalisation. A cet effet, les géomètres plantent des piquets et contrôlent de temps à autre l'évolution des ouvrages au moyen d'un théodolite. Dans la pratique, cette technique relativement lourde conduit à des pertes de temps appréciables lors de la réalisation des travaux. De plus, elle nécessite en permanence la présence de géomètres sur le chantier. L'invention a précisément pour objet un procédé permettant de localiser à tout instant un engin mobile, par rapport à un repère absolu OXYZ lié à la terre, sans nécessiter d'intervention autre que la mise en place des balises avant le début des travaux. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de localisation tridimensionnelle d'un engin mobile, caractérisé par le fait qu'il consiste : - à équiper une zone de travail de balises ayant des coordonnées connues dans un repère absolu, ces balises étant réparties afin qu'on puisse voir au moins trois balises à partir de chaque point de cette zone ;; - à effectuer un balayage de ladite zone à partir de l'engin mobile en faisant tourner sur ce dernier à vitesse constante, autour d'un axe orienté selon une direction perpendiculaire à un plan lié à l'engin et orienté horizontalement lorsque ce dernier est sur une surface horizontale, au moins une caméra comportant un capteur linéaire orienté parallèlement audit axe de façon à mesurer, pour chaque balise observée par la caméra, un angle de rotation de cette dernière au tour dudit axe, par rapport à une direction de référen ce, et un angle d'inclinaison par rapport audit plan d'une droite joignant La caméra à cette balise ; puis - à calculer, à partir de l'angle de rotation et de l'an gle d'inclinaison mesurés et des coordonnées connues des balises, les coordonnées et les angles d'attitude de l'engin dans ledit repère absolu. Dans un tel procédé, on peut utiliser indifféremment des balises émettrices émettant un faisceau lumineux ou des balises réflectrices. Dans ce dernier cas, une source lumineuse telle qu'un flash synchronisé avec la prise de vue, est associée à la caméra. L'invention a aussi pour objet une installation de localisation tridimensionnelle d'un engin mobile, caractérisée par le fait qu'elle comprend - des balises destinées à être placées dans une zone de travail de l'engin, en des emplacements de coordonnées connues dans un repère absolu, ces emplacements étant choisis afin qu'au moins trois balises soient visibles de chaque point de la zone de travail ;; - un système rotatif monté sur l'engin mobile de façon à pouvoir tourner à vitesse constante autour d'un axe orienté perpendiculairement à un plan lié à l'engin et orienté horizontalement lorsque l'engin est sur une surface horizontale, ce système rotatif comportant au moins une caméra équipée d'un capteur linéaire orienté parallèlement audit axe et délivrant, pour chaque bali se observée par la caméra, des signaux représentatifs d'un angle de rotation de la caméra autour dudit axe, par rapport à une direction de référence, et d'un angle d'inclinaison par rapport audit plan d'une droite joi gnant la caméra à cette balise ; et - des moyens pour déterminer, à partir desdits signaux et des coordonnées connues des balises, les coordonnées et les angles d'attitude de l'engin dans ledit repère absolu. Un mode de réalisation préféré de l'invention va à présent être décrit, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe transversale représentant un engin mobile tel qu'un engin de chantier dont la localisation est assurée à tout instant par une installation conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue de côté représentant l'engin de la figure 1 évoluant dans une zone de travail balisée ; et - la figure 3 est une vue de dessus de la zone de travail illustrée sur la figure 2. Sur la figure 1, on a représenté en coupe transversale une zone, dite zone de travail, dans laquelle un ou plusieurs engins tels que celui qui est désigné par la référence 10, réalisent un ouvrage tel qu'une route R. Selon une technique actuellement très fréquente, les coordonnées de cet ouvrage par rapport à un repère absolu OXYZ lié à la terre ont été calculées, puis mises en mémoire dans un ordinateur. Conformément à l'invention, chacun des engins tels que l'engin 10 est équipé d'un système optique rotatif 12 permettant de connaître à tout instant les trois paramètres de position (coordonnées x, y, z) et les trois paramètres d'attitude (angles d'attitude V ,) de cet engin dans le repère OXYZ. Les coordonnée x, y et z correspondent aux coordonnées instantanées de l'origine A d'un repère lié à l'engin dans le repère absolu OXYZ et les angles d'attitude correspondent aux angles d'Euler qui déterminent la rotation du repère lié à l'engin par rapport au repère absolu. Ces six paramètres peuvent être transmis au conducteur de l'engin de différentes manières, parmi lesquelles on citera leur affichage direct sur le tableau de bord, et l'affichage des écarts entre les paramètres mesurés et les paramètres de l'ouvrage à réaliser. Quelle que soit sa forme, cette information permet au conducteur de l'engin de poursuivre son travail sans interruption jusqu'à l'obtention du résultat désiré. Le système rotatif 12 équipant chacun des engins 10 du chantier comprend une ou plusieurs caméras 14 à capteurs linéaires CCD ("Charged Coupled Device", c'est-à-dire à "dispositifs à transfert de charge") montées sur une table rotative 16 apte à être entraînez en rotation à vitesse constante par un moteur 18. Un codeur angulaire (non représenté) permet de connaitre à tout instant la position angulaire de la table 16 et des caméras 14 qu'elle supporte par rapport à une direction de référence liée à l'engin et correspondant, par exemple, à l'axe longitudinal de ce dernier. L'axe de rotation du système rotatif 12 est orienté selon une direction perpendiculaire à un plan P lié à engin et orienté horizontalement lorsque ce dernier repose sur un plan horizontal. L'axe de chacune des caméras 14 est alors horizontal et orienté radialement par rapport à cet axe de rotation. Chacune des caméras 14 comprend un capteur linéaire orienté parallèlement à l'axe de rotation du système rotatif 12. Ce capteur est constitue par une barrette à photodiodes présentant une haute définition, par exemple de 3400 points. La table 16 ainsi que la ou les caméras 14 sont placées avantageusement sous une cloche de protection 20 étanche et transparente, afin d'éviter que ces appareils ne soient rapidement endommagés par l'environnement sévère qui règne habituellement sur un chantier. Cette cloche 20 est, par exemple, liée à la structure tournante de l'engin 10. En plus du système rotatif 12 embarque sur chacun des engins 10 du chantier, l'installation de localisation tridimensionnelle selon l'invention, comprend des balises B1, B2, B3, B4, ... qui sont placées sur le site, dans la zone de travail, avant le début de la réalisation de La route R. Ces balises B1, B2, B3, B4, ... sont mises en place au théodolite par des géomètres, en des emplacements dont les coordonnées dans le repère absolu OXYZ sont parfaitement connues. Ces emplacements sont choisis afin que chacun des engins du chantier puisse voir à tout instant au moins trois des balises, lors de la réalisation de l'ouvrage qui lui est assigne. Dans le cas de la construction d'une route R, les balises B1, B2, B3, B4, ... sont donc réparties Le long de la route à réaliser, de préférence de part et d'autre de celle-ci, comme l'illustrent les figures 1 à 3. Les balises B1, B2, B3, B4, ... sont, de preférence, des balises émettrices émettant chacune un faisceau lumineux apte à être capté par les caméras 14 équi- pant chacun des engins 10. En variante, ces balises peuvent aussi être des balises équipées de rétro-réflecteurs. Dans ce cas, chacun des engins 10 est en outre équipé d'une source lumineuse telle qu'un flash située en un emplacement aussi proche que possible des caméras 14 portées par cet engin. Ce flash peut notamment être synchronisé avec la prise de vue. Pour augmenter la précision des mesures en réduisant les parasites, un filtre interférentiel est avantageusement monté sur le flash et sur la caméra. Lorsqu'un ou plusieurs engins 10 équipés d'un système rotatif 12 se déplacent dans La zone de travail balisée, chaque caméra 14 détecte au moins trois balises à chaque tour de ce système rotatif. De façon plus précise, à chaque fois que le plan de visée approximativement vertical de chaque caméra passe par une balise telle que la balise B1, la barrette à photodiodes de cette caméra et Le codeur angulaire associé à la table 16 délivrent des signaux électriques. Ces signaux permettent, d'une part, de connaître l'angle de rotation formé par ce plan de visée avec une direction de référence liée à l'engin, telle que son axe longitudinal (figure 3). Ces signaux permettent aussi de connaître l'angle d'inclinaison par rapport au plan P de la droite A-B1, A étant un point de la caméra et B1 désignant une zone active de la balise BI (figures 1 et 2). Etant donné que les coordonnées des balises B1, B2, etc., sont connues, la connaissance des angles de rotation et d'inclinaison correspondant à au moins trois balises telles que B1, B2 et B3, obtenue par le balayage de la zone de travail par le système rotatif 12, permet de calculer à chaque instant les coordonnées x, y et z du point A, dans le repère absolu OXYZ, et les angles d'attitude de l'engin par rapport à ce même repère. Les calculs des coordonnées x, y et z du point A dans le repère OXYZ et des angles d'attitude de l'engin 10 dans ce repère, à partir des informations fournies par la barrette de photodiodes et par le codeur optique, sont réalisées au moyen d'un calculateur 22 également embarqué sur l'engin. Afin que les coordonnées connues de chacune des balises puissent être utilisées par Le calculateur 22, chacune des balises doit pouvoir être identifiée. Cela peut être fait par la simple connaissance de l'ordre dans lequel les balises sont vues par L'engin. Avantageusement, ce résultat peut aussi être obtenu en équipant chaque balise de plusieurs zones émettrices ou réflectrices placées sur une même verticale et séparées par des distances variables d'une balise à l'autre. Chaque balise est ainsi identifiée sur une seule image par la caméra qui l'observe et Les valeurs des coordonnées de cette balise sont exploitées par le calculateur sans aucun risque de confusion. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. En particulier, une augmentation du nombre des caméras portées par la table tournante de chacun des engins permet d'accroître la cadence d'acquisition des informations et la précision des mesures. Par ailleurs, Le codeur optique, relativement fragile et coûteux, peut être remplacé par un système simplifié émettant, par exemple, un top à chaque tour, la position du système rotatif par rapport à ce repère étant calculée à partir de la vitesse de rotation de ce système. REVENDICATIONS 1. Procédé de localisation tridimensionnelle d'un engin mobile, caractérisé par le fait qu'il consiste - à équiper une zone de travail de balises (B1, B2, ...) ayant des coordonnées connues dans un repère absolu (OXYZ), ces balises étant réparties afin qu'on puisse voir au moins trois balises à partir de chaque point de cette zone ;; - à effectuer un balayage de ladite zone à partir de l'engin mobile en faisant tourner sur ce dernier à vitesse constante autour d'un axe orienté selon une direction perpendiculaire à un plan (P) lié à l'engin et orienté horizontalement lorsque ce dernier est sur une surface horizontale, au moins une caméra (14) com portant un capteur Linéaire orienté parallèlement audit axe, de façon à mesurer, pour chaque balise observée par la caméra, un angle de rotation de cette dernière autour de son axe, par rapport à une direction de réfé- rence, et un angLe d'inclinaison par rapport audit plan d'une droite joignant la caméra à cette balise ; puis - à calculer, à partir de l'angle de rotation et de l'an- gLe d'inclinaison mesurés et des coordonnées connues des balises, les coordonnées et les angles d'attitude de l'engin dans ledit repère absolu (OXYZ). 2. Procédé selon la revendication 1, caracte- risé par le fait qu'on utilise des balises émettant un faisceau lumineux. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on utilise des balises réflectrices, et en ce qu'on associe une source lumineuse à La caméra. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'on identifie chaque balise en L'équipant de zones actives placées sur une même verticale et présentant des ecartements qui différent d'une balise à L'autre. 5. Installation de localisation tridimensionnelle d'un engin mobile (10), caractérisé par le fait qu'elle comprend - des balises (B1, B2, ...) destinées à être placées dans une zone de travail de l'engin, en des emplacements de coordonnées connues dans un repère absolu (OXYZ), ces emplacements étant choisis afin qu'au moins trois balises soient visibles de chaque point de la zone de travail ;; - un système rotatif (12) monté sur l'engin mobile de façon à pouvoir tourner à vitesse constante autour d'un axe orienté perpendiculairement à un plan (P) lié à l'engin et orienté horizontalement lorsque l'engin est sur une surface horizontale, ce système rotatif compor tant au moins une caméra (14) équipée d'un capteur linéaire orienté parallèlement audit axe et délivrant, pour chaque balise observée par la caméra,des signaux représentatifs d'un angle de rotation de la caméra autour dudit axe, par rapport à une direction de réfé rence, et d'un angle d'inclinaison par rapport audit plan d'une droite joignant la caméra à cette balise ; et - des moyens (22) pour déterminer, à partir desdits si gnaux et des coordonnées connues des balises, les coor données et Les angles d'attitude de l'engin dans Ledit repère absolu. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée par Le fait que le système rotatif (12) comprend une table (16) portant la caméra (14) et qu'il est placé sous une cloche de protection étanche (20). 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée par le fait que les balises (B1, B2, ...) sont des balises émettrices. 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée par le fait que les balises sont des balises réflectrices, l'engin mobile portant une source lumineuse. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée par le fait que les balises comportent des zones actives placées sur une même verticale et séparées par des écartements qui différent d'une balise à l'autre. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisée par le fait que le capteur est une barrette à dispositifs à transfert de charge.