Brevet FR2683036A1 — publié le 19930430

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETERMINATION DE L'ORIENTATION D'UN SOLIDE La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détermination de l'orientation d'un solide quelconque dans un espace donné. De nombreux systèmes nécessitent de connaître et de suivre l'évolution, en quasi temps réel, des paramètres d'orientation d'un solide dans un référentiel donné C'est notamment le cas des systèmes viseurs montés sur le casque même des pilotes d'avions ou d'hélicoptères, et permettant aux pilotes de voir l'image d'un réticule projeté à l'infini en superposition avec les scènes extérieures Les images présentées au pi- lote doivent impérativement rester en correspondance avec le référentiel du porteur (avion, hélicoptère) quels que soient les mouvements du casque par rapport à ce dernier, de façon à désigner, par exemple, une cible visée à un système d'arme. Il est connu d'utiliser un détecteur électromagnétique de posi- tion et d'orientation, comportant d'une part, un émetteur fixe dans le référentiel donné, composé de trois bobines excitées alternativement par un générateur, et d'autre part, un capteur fixé au solide et composé également de trois bobines, de telle sorte qu'à chaque position du solide correspondent neuf signaux induits par les bobines de l'émetteur, ces neuf signaux permettant le calcul de la position et de l'orientation du so- lide Cependant, les champs électromagnétiques créés ou induits peuvent être notablement perturbés du fait de tous les éléments métalliques de l'environnement, et un tel détecteur nécessite soit de disposer de moyens annexes pour fournir un signal de référence en vue d'effectuer une correction (brevet français N O 2 655 415), soit de réaliser, dans une phase préalable, une modélisation prenant en compte les perturbations. Il existe également des systèmes électro-optiques consistant à disposer sur le solide un certain nombre de marques, ponctuelles ou surfaciques, émissives ou non, et dont la position dans un repère Rs lié au solide est bien connue, puis de repérer, par des capteurs optiques fixes dans le repère RE de l'espace de mesure, la position d'un certain nombre de droites ou courbes reliant au moins deux marques distinctes du solide On peut montrer que l'erreur de mesure des paramètres d'orientation du solide est d'une part, proportionnelle à l'incertitude des mesures de position des marques dans le repère Ro, et d'autre part, inversement proportionnelle à la distance séparant les marques De tels systèmes sont donc plutôt adaptés à des solides de grande taille pour lesquels les marques peuvent être très espacées, mais les mesures nécessitent toujours de calculer la position d'au moins deux points du so- lide. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients ou limitations précédents en proposant un procédé optique de détermination de l'orientation d'un solide quelconque par rapport à un référentiel Ro, indépendamment des positions de ce solide dans Ro. Plus précisément, l'invention concerne un procédé optique de détermination des paramètres d'orientation d'un repère Rs lié à un pre- mier solide par rapport à un repère Ro lié à un second solide dit de réfé- rence, caractérisé en ce qu'il consiste à: projeter, à partir du premier solide, au moins un faisceau de rayons lumineux sensiblement parallèles à une direction u connue dans le repère Rs, le faisceau de rayons lumineux contenant une information identifiant ladite direction par rapport au repère Rs; recevoir au moins partiellement un faisceau de rayons lumineux sur au moins un capteur élémentaire du second solide, le capteur étant capable de capter les faisceaux lumineux provenant sensiblement d'une seule direction v connue du repère Ro; lire l'information contenue dans le faisceau reçu par le capteur élémentaire; extraire par le calcul, à partir de la connaissance du capteur élémentaire ayant reçu le faisceau de rayons lumineux et de l'information lue, les paramètres d'orientation du repère Rs par rapport au repère Ro. Un autre objet de l'invention est un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé. L'invention, ainsi que ses avantages, sera mieux comprise au vu de la description suivante, en référence aux figures annexées: La figure 1 (la et lb) illustre le procédé de détermination des paramètres d'orientation selon l'invention dans un espace de mesure à deux dimensions; La figure 2 est un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, étendu au cas d'un espace de mesure tridimensionnel. Plaçons-nous dans l'hypothèse la plus élémentaire de la figure la o l'espace de mesure est un espace à deux dimensions de repère Ro et de vecteurs de base (i, j) Soit un solide symbolisé par un plan 1, coplanaire à l'espace de mesure et repéré par Rs et (is, js) L'orientation du solide 1 dans cet espace de mesure est parfaitement déterminée dès que l'on peut exprimer dans Ro un vecteur connu dans Rs. Supposons un vecteur u parfaitement connu dans Rs, par exemple par l'angle Os qu'il fait avec is Le problème posé sera entière- ment résolu si l'on peut, d'une part, exprimer u dans le repère R 0, par exemple par l'angle 00, et d'autre part, transmettre au repère Ro une information permettant d'identifier u dans Rs, par exemple l'angle Os La connaissance de Os et de 00 dans le même espace de mesure permet ensuite d'extraire l'angle (Os-0 O) entre les vecteurs is et i O caractérisant ainsi l'orientation de Rs par rapport à Ro O Le procédé de mesure selon l'invention repose sur le principe précédent, comme l'illustre la figure lb: A partir d'un premier solide symbolisé par le plan 1 de repère Rs (S, Ise js), un faisceau de rayons lumineux sensiblement parallèles entre eux est projeté dans la direction u, identifiable dans Rs, par exemple par l'angle Os Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le faisceau contient une information relative au positionnement de u dans Rs, par exemple Os Par ailleurs, dans l'espace de mesure à deux dimensions matérialisé par un second solide 3 coplanaire du premier solide 1, de repère de référence Ro ( 0, io, j 0), un capteur élémentaire optique 4 placé en un point C déterminé dans R 0, capte les rayons provenant d'une direction v parfaitement connue dans R 0, par exemple par l'angle 00 Lorsqu'il y a coïncidence entre les directions u et v, on obtient immédiatement, sans calculs, l'expression de u dans Ro Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, le capteur 4 dispose de moyens de lecture (non représentés) capables de lire l'information contenue dans les faisceaux de rayons captés La connaissance de N à la fois dans Ro et dans Rs permet alors d'extraire par le calcul les paramètres d'orientation de Rs par rapport à Ro, lesquels peuvent se réduire, dans ce cas précis, à un angle. Pour pouvoir repérer et suivre un solide, quelles que soient son orientation et sa position dans un certain champ de mesure, il est préférable de projeter, à partir du premier solide 1, une pluralité de faisceaux de rayons, chaque rayon d'un faisceau étant sensiblement parallèle à une direction ui, chaque faisceau comportant une information d'identification de la direction ni par rapport au repère Rs, et/ou d'équiper le second solide 3 de plusieurs capteurs élémentaires Cj capables chacun de capter un faisceau provenant d'une direction unique Vj. Le calcul d'extraction des paramètres d'orientation du repère Rs par rapport à Ro dépend du nombre de directions captées, ce nombre étant inférieur ou égal au nombre de capteurs élémentaires Cj: Dans le cas de la figure 1 b, nous avons vu qu'une seule direction captée permet d'extraire l'angle entre les vecteurs 1 i et j 0, paramètre qui suffit à lui seul pour caractériser l'orientation de deux repères coplanaires. La figure 2 illustre une extension de l'invention à un espace de mesure tridimensionnel de repère de référence Ro (O, if,, jo k 0), cet espace étant par exemple matérialisé par une cabine de pilotage d'un avion ou d'un hélicoptère Dans cet espace de mesure est disposé un ou plusieurs capteurs élémentaires 4, notés Cj, fixes par rapport à RO. Chacun de ces capteurs Ci est capable de capter tout ou partie des rayons d'un faisceau lumineux, ces rayons étant sensiblement parallèles à une direction Vj parfaitement identifiable dans le repère RO Par ailleurs, un solide 1, mobile dans l'espace de mesure est lié à un repère Rs (S, is 3 Js> k 5) Ce solide peut, par exemple, être le casque viseur du pilote Conformément à l'invention, le solide 1 est muni, à sa périphérie, d'un ou plusieurs dispositifs monofaisceaux 5, chacun engendrant un faisceau de rayons lumineux sensiblement parallèles à une direction ui parfaitement identifiable dans le repère Rs Comme le montre la figure 2, un capteur élémentaire Cj peut capter tout ou partie d'un faisceau de rayons provenant d'une direction ui avec i différent de j Selon une caractéristique essentielle de l'invention, chaque faisceau de rayons lumineux engendré par un dispositif monofaisceau 5 contient une information identifiant la direction ui par rapport au repère Rs Chaque capteur élémentaire 4 dispose également de moyens de lecture 6 de l'information contenue dans le faisceau de rayons capté partiellement ou totalement Un certain nombre d'informations est alors transmis à un dispositif 7 d'extraction des paramètres d'orientation du solide 1, c'est-à- dire du repère Rs, par rapport à l'espace de mesure, c'est-à-dire au repère Ro Pratiquement, les dispositifs monofaisceaux 5 sont des systèmes optiques qui forment une image à l'infini en projetant un faisceau de rayons lumineux sensiblement parallèles à une direction donnée L'information sur cette direction correspond physiquement à la modulation en intensité des différents rayons d'un même faisceau. La figure 2 montre une réalisation préférentielle qui consiste à regrouper les dispositifs monofaisceaux 5 en une pluralité de dispositifs multifaisceaux 10 composés par exemple d'une mire 8 placée dans le plan focal d'un objectif de collimation 9, de façon à ce que l'image de la mire soit projetée à l'infini Chaque point Ei d'une mire 8 correspond à une direction fixe du repère Rs, et engendre, par le principe de collimation, un faisceau de rayons lumineux sensiblement parallèles à une direction ui De plus, un symbole est inscrit dans le voisinage de chaque point Ei de manière à pouvoir l'identifier La mire 8, qui est soit transmissive, soit réflexive, est éclairée en conséquence par toute source lumineuse (non représentée) qui convient De manière équivalente au regroupement précédent, les capteurs élémentaires Cj peuvent être rassemblés sur des capteurs 11, par exemple du type CCD associés à une lentille convergente 12. Lorsqu'un capteur 11 intercepte un faisceau de rayons lumineux sensiblement parallèles à une direction ui, il se forme sur ce capteur l'image du point Ei et de son symbole associé Au point Cj du capteur 11 sur lequel se focalise le point Ei, correspond une direction Vj, bien connue dans Ro, et qui coïncide avec la direction ui Il est alors possible d'exprimer "i dans Ro Le dispositif 7 analyse d'autre part le contenu de l'image fournie par le capteur et identifie le symbole ou information qui apparaît au voisinage du point capté Ce symbole permet d'identifier le point E 1 et d'exprimer ui dans le repère Rs A partir d'un certain nombre de mesures, conduisant chacune à deux expressions conjointes d'un même vecteur dans Ro et Rs, il est facile de calculer l'orientation de Rs par rapport à Ro Dans le cas le plus simple o l'on détecte trois vecteurs u 1,uz u 3 linéairement indépendants le calcul consiste à résoudre un système de neuf équations linéaires à neuf inconnues. Dans un autre mode de réalisation possible, l'ensemble constitué par une mire 8 et son objectif de collimation 9 associé peut être remplacé par un hologramme obtenu en enregistrant l'image rejetée à l'infini de la mire En rééclairant convenablement l'hologramme disposé en lieu et place de l'ensemble précédent, il restitue l'image enregistrée avec les informations codées L'intérêt de l'hologramme réside bien entendu dans le gain de place obtenu par rapport à l'ensemble (mire, objectif de collimation). L'invention telle qu'elle a été décrite présente le grand intérêt, par rapport aux systèmes de l'art antérieur, d'obtenir une très bonne précision grâce à l'indépendance de fonctionnement vis-à-vis des positions successives du solide 1 En outre, l'accès direct à l'information contenue dans les faisceaux émis permet une grande simplicité des calculs. REVENDICATIONS 1 Procédé optique de détermination des paramètres d'orientation d'un repère Rs lié à un premier solide par rapport à un repère R O lié à un second solide dit de référence, caractérisé en ce qu'il consiste à: projeter, à partir du premier solide, au moins un faisceau de rayons lumineux sensiblement parallèles à une direction u connue dans le repère Rs, le faisceau de rayons lumineux contenant une information identifiant ladite direction par rapport au repère Rs; recevoir au moins partiellement un faisceau de rayons lumineux sur au moins un capteur élémentaire du second solide, le capteur étant capable de capter les faisceaux lumineux provenant sensiblement d'une seule direction v connue du repère Ro; lire l'information contenue dans le faisceau reçu par le capteur élémentaire; extraire par le calcul, à partir de la connaissance du capteur élémentaire ayant reçu le faisceau de rayons lumineux et de l'information lue, les paramètres d'orientation du repère Rs par rapport au repère Ro. 2 Dispositif optique de détermination des paramètres d'orientation d'un repère Rs lié à un premier solide ( 1) par rapport à un repère Ro lié à un second solide dit de référence, caractérisé en ce qu'il comporte: au moins un dispositif monofaisceau ( 5), situé à la périphérie du premier solide ( 1), et engendrant un faisceau de rayons lumineux sensiblement parallèles à une direction ui connue dans le repère Rs, le faisceau de rayons lumineux contenant une information identifiant la direction ui par rapport au repère Rs; au moins un capteur élémentaire ( 4), fixe par rapport à Ro, et capable de capter tout ou partie d'un faisceau lumineux provenant sensiblement d'une direction Vj connue dans RO; des moyens de lecture ( 6) de l'information contenue dans le faisceau de rayons capté; un dispositif ( 7) d'extraction de paramètres d'orientation du repère Rs par rapport au repère Ro. 3 Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif monofaisceau ( 5) est un système optique formant une image à l'infini. 4 Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que plusieurs dispositifs monofaisceaux ( 5) sont regroupés en une pluralité de dispositifs multifaisceaux ( 10) composés d'une mire ( 8) placée dans le plan focal d'un objectif de collimation ( 9). Dispositif optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mire ( 8) est constituée d'une pluralité de points Ei correspondant à une direction fixe du repère Rs, l'information étant inscrite dans le voisinage de chaque point Ei de manière à pouvoir l'identifier. 6 Dispositif optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mire ( 8) est transmissive. 7 Dispositif optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mire ( 8) est réflexive. 8 Dispositif optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dispositifs multifaisceaux sont constitués par un hologramme obtenu en enregistrant l'image rejetée à l'infini de la mire ( 8). 9 Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que plusieurs capteurs élémentaires ( 4) sont regroupés en une pluralité de capteurs ( 11), chaque capteur ( 11) étant associé à une lentille convergente ( 12).