Brevet FR2667145A1 — publié le 19920327

- Le principe de la détection de position électromagnétique est bien connu pour déterminer la position et l'orientation d'un mobile, solide, dans un repère de référence L'une des applications de ce principe est la détermination de la direction de visée d'un viseur de casque qu'un fantassin, un conducteur ou un pilote de char ou d'aéronef a placé sur sa tête, pour y asservir une arme, un missile ou une caméra de pilotage, par exemple. Ce principe de détection met en oeuvre un émetteur, ou radiateur, de champ magnétique, lié au repère de référence, ou référentiel, dans lequel sont effectuées les mesures, un récepteur, ou capteur, de champ magnétique, fixé au mobile dont la position et l'orientation doivent être déterminées, et des circuits électroniques de traitement incluant des amplificateurs analogiques, un processeur de calcul et des algorithmes de traitement. Le radiateur doit au mieux satisfaire aux conditions de la théorie dipolaire, dans laquelle le système de coordonnées pour la description mathématique de la radiation est une sphère centrée sur le dipole et la fonction de Green d'espace libre ne dépend que de la coordonnée radiale. Le capteur de champ magnétique doit être le plus ponctuel possible L'émetteur rayonne, séquentiellement ou par multiplexage, un champ suivant deux ou trois axes orthogonaux et le capteur détecte séquentiellement les composantes de ce champ selon trois ou deux axes orthogonaux, l'émission et la réception s'effectuant généralement chacune suivant trois axes Le capteur -2 - fournit ainsi, par axe d'émission, trois mesures, soit au total neuf qu'on organise en une matrice 3 x 3, à partir de laquelle les algorithmes de traitement fournissent la position et l'orientation du capteur par rapport au radiateur. On remarquera ici que la détermination de la position et de l'orientation du capteur implique la détermination de six variables les trois coordonnées cartésiennes, le gisement, le site et le roulis et que six mesures au moins sont donc nécessaires Si l'émission n'est effectuée que suivant deux axes, la réception doit par conséquent l'être suivant trois, et inversement. Dans un référentiel déterminé, le champ magnétique en un point donné est représenté par un vecteur H Dans ce référentiel, les axes de sensibilité du capteur sont représentés par un vecteur C Les résultats des mesures effectuées par le capteur peuvent être disposés sous forme de matrice M correspondant au produit -* -'% scalaire C H C H = CTH = M H étant la matrice du champ et CT la matrice transposée de la matrice C des axes de sensibilité du capteur. Le capteur, dans le référentiel, peut subir soit une translation soit une rotation Considérons celle-ci, exprimée par une matrice de rotation R La matrice des axes de sensibilité du capteur devient RC et celle des mesures MR. MR = CT RT H Si les trois axes du capteur sont orthonormés, -3 - 1 0 0 C = O 1 O = ( 1) O 0 1 Par conséquent MR = RT H H dépendant de la position du capteur et MR de sa position et de son orientation. En présence de perturbations magnétiques, par exemple provoquées par les masses métalliques d'un avion, les algorithmes de traitement reposent sur des relevés cartographiques Pour obtenir cette cartographie préalable, on procède à des mesures du champ par le capteur en de multiples points de l'espace auxquels on associe donc des matrices de mesures perturbées Soit Mç l'une de celles-ci Si le capteur subit une rotation R, la matrice de mesures devrait devenir MR =RT MC M T = T R R C MRTMR =MCT RRT Mc MT MC Le produit matriciel MRT MR est donc invariant en rotation et représentatif du point considéré. La cartographie vise à déterminer la fonction f de correspondance entre MC et MCT MI. Lors des mesures ultérieures, à une matrice MR correspond le produit MRT MR. Comme MRT MR = MCT MC, on en déduit MC par la fonction f, donc la position du capteur Pour déterminer la -4 - matrice de rotation R, c'est-à-dire l'orientation des axes du capteur, connaissant MR et MC, on calcule R à partir de l'équation MR = RT MC, soit R MC MR On connait déjà, par le document FR-A-2 458 838 ( 791441),un système de détermination électromagnétique de la position et de l'orientation d'un mobile. Schématiquement le radiateur et le capteur de ce système sont, chacun, constitués d'un groupe de trois bobines identiques commandées en courant et disposées respectivement le long de trois axes orthogonaux Pour réunir au mieux les conditions du dipôle, tant pour le radiateur que pour le capteur, les dimensions des bobines sont les plus petites possibles On pourrait d'ailleurs substituer à chaque bobine deux demi-bobines parcourues par le même courant On pourrait aussi considérer, comme radiateur et capteur, une sphère en matériau magnétique entourée de trois bobines orthogonales. Pour ce qui concerne la chaîne de traitement des signaux délivrés par le capteur, du système de l'art antérieur évoqué ci-dessus, et qui vise à déterminer les amplitudes de ces signaux, elle comporte une voie par axe et sur chaque voie, en référence à la figure 1, un amplificateur 1 et une boucle d'asservissement analogique 2, entre un mélangeur 3 et un bus 4 du processeur de calcul 5, pour éviter les phénomènes de couplage par diaphonie et améliorer la précision et, dans le mélangeur 3, soustraire au signal délivré un signal Vref en phase avec celui-ci, de même fréquence et presque de même amplitude L'asservissement est piloté par un logiciel du processeur de calcul 5 actualisé - continuement pour tenir compte de la mesure précédente. Le signal de référence fourni au mélangeur 3 est fixé par un convertisseur numérique-analogique CNA 6 commandé par le processeur 5 Le signal de sortie de la boucle d'asservissement 2 est fourni au processeur de calcul 5 après conversion dans un convertisseur analogique- numérique CAN 7 Entre le mélangeur 3 et le convertisseur 7, la boucle 2 comprend un amplificateur 8, un démodulateur 9 et un intégrateur 10 Le démodulateur 9 assure une démodulation synchrone et cohérente et redresse le signal issu du mélangeur 3 par multiplication par le signal Vref de même fréquence et en phase L'intégrateur 10 intègre le signal du démodulateur 9 sur une durée déterminée par le processeur 5 et le résultat de l'intégration est numérisé dans le convertisseur CAN 7. Mais une telle chaîne de traitement présente des inconvénients Elle doit être étalonnée avant chaque mesure Les signaux d'entrée du mélangeur 3 et du démodulateur 9 doivent être rigoureusement en phase. La présente invention vise à pallier ces inconvénients. A cet effet, la présente invention concerne un système de détermination électromagnétique de la position et de l'orientation d'un mobile comprenant un radiateur magnétique, lié à un référentiel, un capteur magnétique, fixé au mobile, le radiateur rayonnant séquentiellement des champs suivant des axes d'émission orthogonaux et le capteur fournissant séquentiellement des signaux de détection des composantes des champs d'émission selon des axes de réception orthogonaux, le produit du nombre d'axes d'émission et du nombre d'axes de réception étant au moins égal à six, une chaîne de traitement des signaux du capteur pour en déterminer les amplitudes et -6- un processeur de calcul avec un support d'algorithmes de traitement, système caractérisé par le fait qu'il comporte un multiplexeur relié à la sortie du capteur, pour multiplexer séquentiellement sur une voie les signaux de détection du capteur, un dispositif d'échantillonnage du signal sortant du multiplexeur, d'amplitude A et de pulsation 4 J et correspondant à un couple de deux axes d'émission et de réception, des moyens pour multiplier les échantillons du dispositif d'échantillonnage respectivement par des signaux de référence sin St et cos St et des moyens pour accumuler les deux sommes des produits des multiplications pendant une durée au moins égale à une période 27 T avant de les fournir au processeur de calcul qui en extrait l'amplitude A. Le système de l'invention tire son intérêt de l'unicité de la chaîne de traitement des signaux du capteur, de sa simplificité, permettant un traitement entièrement numérique, et de son insensibilité au calage des phases. Avantageusement, le dispositif d'échantillonnage comporte un convertisseur analogique-numérique rapide, dit "flash", et les échantillons du convertisseur sont traités dans au moins un multiplieur-accumulateur MAC rapide. De préférence, le système comporte deux multiplieurs- accumulateurs rapides recevant respectivement les deux signaux de référence sin at et cos&Jt. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de la chaîne de traitement des signaux du capteur du système de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel 7 - la figure 1 représente une chaîne de traitement de l'art antérieur, déjà décrite ci-dessus; la figure 2 représente la chaîne de traitement du système de l'invention, et la figure 3 illustre le calibrage du capteur de la chaîne de la figure 1. En référence à la figure 2, la chaîne de traitement des signaux du capteur 21, recevant les champs magnétiques émis par un émetteur, comprend, en série entre le capteur et le processeur de calcul 22, un bloc de préamplification 23, avec un préamplificateur sur chacune des voies de réception, ici au nombre de trois, un multiplexeur séquentiel 24, un bloc d'échantillonnage 25, ici constitué d'un convertisseur analogique- numérique rapide de type "flash", et deux multiplieurs accumulateurs rapides MAC 26, 27 en parallèle On notera que l'émetteur, ou radiateur, est relié au processeur 22 par un bloc d'amplification de puissance. Par deux bus 28, 29 issus du processeur 22, les deux MAC reçoivent respectivement sur deux multiplicateurs 30, 31 deux signaux de référence sin j t et cos a t, les deux multiplicateurs 30, 31 recevant également du bloc d'échantillonnage 25, par un bus 32, le signal A cos( S Jt + Y) correspondant à l'un des couples de deux axes d'émission et de réception, e représentant le déphasage du signal reçu par rapport aux signaux de référence, chacun des signaux associés respectivement à tous les couples d'axes d'émission et de réception étant saisi grâce au multiplexage séquentiel sur une voie du multiplexeur 24. Chaque multiplieur accumulateur rapide 26 ( 27) comporte un sommateur numérique 33 ( 34), recevant le signal du multiplicateur 30 ( 31), et un registre mémoire 35 ( 36), -8 - ( 36), connecté par un bus 37 au processeur 22 et par un bus 38 ( 39) au sommateur 33 ( 34). Les échantillons du signal A cos( Cd t + O) sont multipliés par sin W t, cos C O t dans le multiplicateur ,31 Le produit de chaque multiplication est additionné de façon numérique dans le sommateur 33,34 au- résultat précédemment accumulé dans le registre 35,36, le nouveau résultat écrasant le précédent dans le registre 35,36 Ces opérations de multiplication, de sommation et d'accumulation sont répétées sur une durée ici égale à plusieurs périodes 2 lravant que le résultat cd accumulé ne soit transféré dans le processeur 22 pour exploitation et calcul de A et détermination de la position et de l'orientation recherchées par détermination des matrices MR, MC et R Simplement à titre d'explication, le fonctionnement des multiplieurs accumulateurs MAC 26, 27 peut être mathématiquement expliqué comme suit. Premier MAC Il reçoit en entrée de son multiplicateur 30 A cos( t +(y) échantillonné et sin Wt. La sortie de son multiplicateur fournit: A cos(Wt +e) sin W St = A(cos Wtcos q sin Wtsiny)sin Wt = A(cos&>tsin)tcosq sin 2 4 tsinc;) = A(sin 2 Wtcoscp 1-cos 24 tsin>) 2 2 =-Asin(t+A(sin 2 cdtcos (e +cos 2 4 tsinçP) 2 2 -9 - Du fait de l'accumulation des produits de la multiplication sur une longue durée, ici égale à plusieurs périodes NT = 27 r N les termes dépendant de Lt s'annulent et il est ainsi extrait le terme continu A sin Deuxième MAC Il reçoit en entrée de son multiplicateur 31 Acos(*Jt+O échantillonné et cosa)t. La sortie de son multiplicateur fournit: Acos(Wt+ 9)cos St= A(cos> tcosy -sin 6 dtsince)cos Jt = A(cos 2 c tcosp -sinwtcos wtsinte) = A(cosc l+cos 2 Ut -sin 2 Wtsince) 2 2 =Acos ç + A (cos 2 W tcos 0-sin 2 W tsinp) 2 2 Du fait de l'accumulation des produits de la multiplication sur une longue durée, ici égale à plusieurs périodes NT = 27 ' N, les termes dépendant c' de a/t s'annulent et on extrait ainsi le terme continu A cos l Le processeur 22 élève au carré les deux résultats A 2 sin 2 y et A 2 cos 2, 4 4 les additionne A 2 (sin 2 y + cos 2 f) = A 2 et extrait la racine carrée de la somme pour déterminer A et donc A. -10- On a vu plus haut que les échantillons du signal étaient multipliés par sin Cd t et cos 6 i AJ t dans les multipli- cateurs et que les produits des multiplications étaient additionnés de façon numérique dans les sommateurs des multiplieurs accumulateurs Le traitement pourrait aussi être effectué de manière analogique pour ne numériser les deux voies qu'après intégration sur la durée considérée, au moins égale à a 73, juste avant de four- nir les résultats accumulés et numérisés au processeur. On a vu aussi plus haut que, dans le système de l'invention, on calculait l'amplitude A du signal A cos ( éj t +) sortant du bloc d'échantillonnage 25 En fait, le résultat du calcul est entaché d'une erreur due notamment à des couplages parasites (couplages entre axes, couplages capacitifs ou selfiques avec les fils de sortie du capteur), bref, à des défauts du capteur Pour s'affranchir de cette erreur, on peut procéder au préalable à un calibrage du capteur pour déterminer l'angle de phase de la mesure utile Pour cela, et l'émetteur n'étant pas en fonctionnement, on mesure, à l'aide d'un voltmètre, à la sortie des multiplieurs accumulateurs MAC, le déphasage Dé d'un signal élec- trique fourni par un générateur de calibrage en série as avec la bobine de réception considérée du capteur On déduit ensuite, toujours à l'aide du voltmètre, la rotation de phase g 4 provoquée par le bloc de préampli- fication 23 Enfin, on mesure le déphasage provoqué par l'émetteur en fonctionnement. Ces défauts de couplage, ou diaphonie, engendrent une composante de mesure perpendiculaire à la composante utile, conformément au dessin de la figure 3. L'angle de phase de la mesure utile est égal à -11- o r=+ + 90 Soit donc, le déphasage, par rapport à l'axe de référence des abscisses, de l'axe de mesure de l'amplitude A = IOAI _ 7 Le vecteur OA est la résultante de la composante O A', le long de l'axe de mesure utile déphasé de, dont l'amplitude, utile, est à déterminer, et d'une composante OA" perpendiculaire + 90 ou 90 selon qu'on considère des couplages capacitifs ou selfiques- à la composante OA'. Connaissant A, on calcule A' = O OA'I par la relation A' = A cos () Quant à l'angle de phase, A cos et A sin e,et 2 _ 2 donc cos et sin ayant été déterminés, il est donné par la relation = Arc tg sin costa Les calculs de et A' sont effectués par le processeur 22 qui constitue donc aussi un moyen de correction de mesure. -12- Revendications 1 Système de détermination électromagnétique de la position et de l'orientation d'un mobile comprenant un radiateur magnétique, lié à un référentiel, un capteur magnétique ( 21), fixé au mobile, le radiateur rayonnant séquentiellement des champs suivant des axes d'émission orthogonaux et le capteur ( 21) fournissant séquentiellement des signaux de détection des composantes des champs d'émission selon des axes de réception orthogonaux, le produit du nombre d'axes d'émission et du nombre d'axes de réception étant au moins égal à six, une chaîne de traitement des signaux du capteur pour en déterminer les amplitudes et un processeur de calcul avec un support d'algorithmes de traitement, système caractérisé par le fait qu'il comporte un multiplexeur ( 24) relié à la sortie du capteur, pour multiplexer séquentiellement sur une voie les signaux de détection du capteur ( 21), un dispositif ( 25) d'échantillonnage du signal sortant du multiplexeur ( 24), d'amplitude A et de pulsationt et correspondant à un couple de deux axes d'émission et de réception, des moyens ( 30, 31) pour multiplier les échantillons du dispositif d'échantillonnage ( 25) respectivement par des signaux de référence sinc St et cost Jt et des moyens ( 33, , 34, 36) pour accumuler les deux sommes des produits des multiplications pendant une durée au moins égale à une période 27 r avant de les fournir au processeur de calcul ( 22) qlii en extrait l'amplitude A. 2 Système selon la revendication 1, dans lequel le dispositif d'échantillonnage ( 25) comporte un convertisseur analogique-numérique rapide. 3 Système selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les échantillons du dispositif d'échantillonnage -13- ( 25) sont traités dans au moins un multiplieur accumulateur MAC rapide. 4 Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel il est prévu deux multiplieurs rapides ( 26, 27) recevant du processeur de calcul ( 22) respectivement les deux signaux de référence sine 3 t et cosr Jt. 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel il est prévu des moyens de calibrage et des moyens ( 22) de correction de mesure pour s'affranchir de la diaphonie.