Brevet FR2688889A1 — publié le 19930924

DISPOSITIF DE MESURE DE LA VITESSE DE DEPLACEMENT D'UN OBJET DESCRIPTION La présente invention a pour objet un dispositif pour mesurer la vitesse de déplacement d'un objet par rapport à un repère situé dans un plan de référence et en mouvement par rapport à ce plan Elle trouve de nombreuses applications dans tous les domaines nécessitant une mesure de vitesse sans contact. Une mesure de vitesse de déplacement d'un objet par rapport à un repère situé dans un plan de référence (dont la distance par rapport à ce plan peut varier) peut se décomposer en deux mesures, à savoir la mesure de la vitesse longitudinale et la mesure de la vitesse transversale On rappelle que les valeurs de la vitesse longitudinale et de la vitesse transversale sont déduites de la valeur du module de la vitesse projeté sur le plan de référence et de la valeur de l'angle de la projection de la vitesse dans ce plan avec un des deux axes de référence contenus dans ce plan. De nombreux documents décrivent des dispositifs pour mesurer la vitesse d'un objet, sans contact avec ledit objet. De façon plus précise, plusieurs applications connues permettent de mesurer la vitesse longitudinale d'un objet Une de ces applications est décrite dans le document intitulé "Speed measurement by cross-correlation Theoretical aspects and applications in the paper industry", rédigé par P BOLON et J L LACOUME et publié dans IEEE Translations on acoustics, speech, and signal processing, vol ASSP 31, N O 6, decembre 1983. Une autre application de mesure de la vitesse longitudinale par intercorrélation est décrite dans "A signal processor for a noncontact speed measurement system" par J BOHMANN, H MEYR, R PETERS et G SPIES, publié dans IEEE Translations on vehicular technology, vol VT 33, no 1, février 1984. Un tel procédé de mesure par intercorrélation a été édité sous la plume de J SABATER sous le titre "Vélocimétrie laser par corrélation", dans J Optics, 1980, vol 11, n 4, pages 225 à 229. Dans cette dernière application, on utilise deux sources laser Ces sources projettent des points lumineux sur l'objet en mouvement Deux optiques, généralement des lentilles sphériques, associées chacune à 1 ' une des sources, permettent de collecter les rayons lumineux rétrodiffusés par l'objet, sur deux détecteurs de lumière du type cellules photosensibles et, plus précisément, des photodiodes. Ces détecteurs sont aptes à transformer l'énergie lumineuse des rayons reçus en courants électriques x(t) et y(t) Dans cette application, les deux optiques sont identiques: le courant y(t) reçu par l'un des détecteurs est donc identique au courant x(t-to) o to est le temps de décalage entre les moments de réception des signaux par l'un puis l'autre des détecteurs Cette valeur to permet de déterminer la valeur de la vitesse longitudinale, to étant égal à la distance entre les deux détecteurs divisée par le module de la vitesse de l'objet, soit la vitesse longitudinale dudit objet. La détermination de cette valeur to est réalisée à partir de la fonction d'intercorrélation dont l'expression est la suivante: y T Cxy(t') = 1/T (t)y(t-t')dt, O o T est le temps d'intégration Cette fonction Cxy(t') possède un pic centré en t'=to La détermination de l'abscisse du sommet du pic, c'est-à-dire la détermination de to, permet donc de déterminer la vitesse longitudinale recherchée. Les documents précédemment cités ont pour principal inconvénient de ne permettre que la mesure de la vitesse longitudinale de l'objet en mouvement et pas la mesure de l'angle de déplacement de l'objet par rapport à l'axe de référence. On connaît, cependant, un procédé pour mesurer la vitesse transversale d'un objet en mouvement, c'est-à-dire pour mesurer l'angle du vecteur vitesse dudit objet avec un axe de référence Un tel procédé est décrit dans le document "Absolute 2-D velocity measurements for cars", de E HERRE et R MASSEN, dans Prometheus W Gl True Speed expert panel, Stuttgart, 21 février 1991 Ce procédé a été mis en application pour des micro-ondes Il utilise donc des émetteurs micro-ondes comme source de génération desdites micro-ondes Il utilise en outre, un premier détecteur, ainsi qu'une série de détecteurs placée à une certaine distance du premier détecteur et de façon symétrique par rapport à l'axe de référence Le point de passage de la trajectoire de déplacement dudit objet est donné par le détecteur de la série de détecteurs présentant le plus fort coefficient de corrélation avec le premier détecteur. Ce procédé a pour principal inconvénient que les émetteurs et détecteurs micro-ondes sont encombrants et d'un coût relativement élevé De plus, les faisceaux micro-ondes étant divergents, il est difficile de focaliser lesdits faisceaux sur une zone de petite dimension, ce qui nécessite une certaine distance entre chacun des détecteurs de la série Or, la précision de la mesure d'angle est dépendante de la distance entre chaque détecteur de la série La précision d'un système utilisant un tel procédé est donc relativement limitée. La présente invention a donc pour avantage de résoudre les inconvénients des systèmes décrits précédemment Elle consiste en un dispositif de mesure de la vitesse de déplacement d'un objet par rapport à un plan de référence et dont la distance par rapport à ce plan varie, comportant: une première et une seconde sources lumineuses projetant respectivement un premier et un second faisceaux lumineux sur l'objet; des premiers et seconds moyens détecteurs de lumière associés respectivement à la première et à la seconde sources lumineuses; des moyens de traitement pour évaluer la valeur de la vitesse de l'objet; et des premiers et seconds moyens optiques pour focaliser les premiers et seconds rayons lumineux rétrodiffusés sur les premiers et seconds moyens détecteurs respectifs, caractérisé en ce que la seconde source lumineuse projette une ligne lumineuse sur l'objet (cette ligne est l'intersection du plan lumineux émis et de l'objet) sur l'objet, la première source projetant un point lumineux sur ledit objet, et en ce que les seconds moyens détecteurs de lumière comportent une barrette de détecteurs dont chacun desdits détecteurs est apte à détecter un segment de la ligne lumineuse focalisée. Avantageusement, les seconds moyens optiques comportent une lentille cylindrique, parallèle au plan, pour focaliser les rayons lumineux retrodiffusés par la ligne lumineuse et reçus sur la barrette de détecteurs. En outre, ces seconds moyens optiques comportent, entre la lentille cylindrique et la barrette de détecteurs, des moyens d'écran pour faire écran aux rayons lumineux rétrodiffusés ayant un angle d'incidence supérieur à un angle d'incidence de référence. Les moyens d'écran comportent une pluralité de lames transparentes à la lumière, parallèles les unes aux autres et disposées perpendiculairement au plan. Selon un mode de réalisation de l'invention, les lames transparentes sont des lames de verre Ces lames de verre comportent, sur au moins une de leurs faces, une couche d'un matériau opaque apte à faire écran à la lumière. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les lames transparentes sont des lames d'air réalisées à partir de feuilles opaques faisant écran à la lumière, disposées perpendiculairement au plan et séparées par de l'air. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de traitement comportent un moyen de corrélation temporel entre les premiers et seconds moyens détecteurs pour déterminer une vitesse longitudinale de l'objet Ils comportent, de plus, un moyen de recherche de la valeur maximale des coefficients de corrélation déterminés entre chacun des détecteurs de la barrette et le premier moyen détecteur afin de déterminer une vitesse transversale de l'objet. De façon avantageuse, les sources lumineuses sont des sources laser. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre donnée, à titre illustratif, mais nullement limitatif, en référence aux dessins dans lesquels: la figure 1 représente de façon schématique l'ensemble du dispositif avec les deux sources laser, l'objet, les moyens détecteurs et les moyens optiques; et la figure 2 représente schématiquement le réseau d'écrans dans lequel circulent les rayons lumineux rétrodiffusés jusqu'à ce qu'ils soient détectés par la barrette de détecteurs. Sur la figure 1, on a représenté un schéma d'ensemble du dispositif On voit donc sur cette figure, l'objet 1 avec l'axe de référence x La source lumineuse 2 envoie ponctuellement un faisceau lumineux 3 sur l'objet 1 et forme une tache lumineuse 4 sur ledit objet. Cette source lumineuse 2 étant, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, une source laser, la tache lumineuse 4 sera donc, dans la suite de la description, appelée "tache laser 4 ". Le faisceau lumineux 3 (appelé aussi "faisceau laser 3 ") est rêtrodiffusé par l'objet 1 en un ensemble de rayons 5 dont la lentille 6 collecte une partie pour la focaliser sur le premier moyen détecteur 7. Selon un mode de réalisation de l'invention, ce premier moyen détecteur est une photodiode, appelée "photodiode de référence". Une seconde source lumineuse 10 envoie un faisceau lumineux 11 sur l'objet 1 Tout comme la première source lumineuse 2, cette seconde source 10 est, de préférence, une source laser. Selon l'invention, cette source laser 10 projette une ligne laser (ou plan laser) sur ledit objet 1 Cette ligne laser, référencée 12, est rétrodiffusée par ledit objet 1 en un ensemble de rayons 13 La lentille 14 assure la focalisation de ces rayons rêtrodiffusés 13 vers les seconds moyens détecteurs, c'est-à-dire vers une barrette de détecteurs 16 Cette barrette de détecteurs 16 est, de façon plus précise, une barrette de photodiodes Chacune des photodiodes de la barrette 16 reçoit un segment de la ligne laser 12 focalisé par la lentille 14. Cette lentille 14 est une lentille cylindrique Elle a pour avantage de se comporter comme une lentille sphérique dans la direction perpendiculaire à la barrette de détecteurs 16, c'est-à-dire également dans la direction perpendiculaire à la ligne laser 12 Au contraire des lentilles sphériques habituellement utilisées dans ce genre de dispositif pour mesurer la vitesse de déplacement d'un objet, cette lentille cylindrique 14 se comporte comme une lame à faces parallèles dans la direction parallèle à la barrette de détecteurs 16 Ainsi, l'effet de défocalisation induit une tache dont la dimension varie uniquement dans la direction perpendiculaire à la barrette, ce qui interdit les débordements sur les détecteurs voisins du détecteur devant recevoir le segment de faisceau focalisé. Un réseau d'écrans 15 est placé en amont de la barrette afin de filtrer les faisceaux laser (ou rayons) ayant un angle d'incidence trop élevé En effet, il est nécessaire d'empêcher les rayons rétrodiffusés issus de la ligne laser 12 de se projeter simultanément sur plusieurs détecteurs de la barrette 16. Sur la figure 1, ce réseau d'écrans 15 est placé au-dessus de la lentille cylindrique 14 et forme, avec elle, un bloc compact. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le réseau d'écrans 15 est placé au-dessous de la lentille cylindrique. Ce réseau d'écrans 15 comporte, comme son nom l'indique, une succession d'écrans 15 a, 15 c, etc, aptes à absorber certains rayons de la ligne laser 12 et, particulièrement, les rayons ayant un angle d'incidence supérieur à une valeur donnée. Selon un mode de réalisation de ce réseau d'écrans 15, ledit réseau comporte un ensemble de lames de verre a, 15 c, etc, de faible épaisseur L'interface entre ces lames 15 b, 15 d, etc est rendue opaque par l'intermédiaire d'un dépôt sur les faces des lames 15 a, c, etc Ce dépôt peut être soit une couche opaque, soit une colle opaque permettant de rigidifier l'ensemble constitué des lames 15 a, 15 c, etc Ainsi, la lumière se propage à l'intérieur des lames de verre 15 a, 15 c, etc, et les interfaces 15 b, 15 d, etc, entre lesdites lames jouent le rôle d'écran. Ces lames de verre peuvent également être des lames de plexiglas, des lames de résine, ou toutes autres lames transparentes à la lumière. Selon un autre mode de réalisation de ce réseau d'écran 15, les lames transparentes sont des lames d'air séparées par des feuilles opaques, telles que des feuilles métalliques (par exemple en aluminium traité). Ces feuilles opaques sont distantes d'une certaine épaisseur afin de créer, entre elles, lesdites lames d'air. Ce réseau d'écran 15 est collé, par l'une de ses extrémités, à la lentille cylindrique 14 de façon à former un ensemble compact et robuste. Dans un tel réseau d'écrans 15, réalisé selon l'un quelconque des deux modes de réalisation précédents, la lumière se propage à l'intérieur des lames transparentes a, 15 c, 15 e, etc, dans le sens longitudinal desdites lames Les faces d'entrée et de sortie de la lumière dans les lames sont de préférence polies et traitées optiquement pour permettre la propagation de ladite lumière Aussi, cette lumière ne traverse pas les interfaces 15 b, 15 d, etc, entre deux lames, grâce au dépôt opaque réalisé entre ces deux lames, ce dépôt opaque absorbant les rayons lumineux reçus. De plus, afin d'éviter un guidage de la lumière à l'intérieur de la lame, la réflexion doit être nulle à l'interface Pour cela, un mode de réalisation consiste à dépolir les faces des lames de verre avant dépôt de la couche opaque, ce qui élimine la réflexion des rayons. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement les zones d'observation des détecteurs On voit donc, sur cette figure, la ligne lumineuse du laser 12 qui est rêtrodiffusée par l'objet 1 en des rayons lumineux 13 a, 13 b, etc On voit donc une première zone d'observation Zl, une seconde zone d'observation Z 2 et une zone de recouvrement Z 3, c'est-à- dire une zone commune à la zone d'observation Zi et à la zone Z 2 Le réseau d'écrans 15 permet de limiter, notamment, cette zone de recouvrement Z 3. Aussi, chaque écran doit posséder un coefficient de transmission et un coefficient de réflexion des rayons lumineux les plus faibles possible La distance entre les différents écrans du réseau d'écrans 15 et la hauteur desdits écrans définissent l'angle d'incidence maximum des rayons lumineux pouvant traverser le réseau Ainsi, chaque rayon lumineux ayant un angle d'incidence supérieur à l'angle déterminé par les paramètres de réalisation du réseau d'écrans 15 est absorbé par ledit réseau Chaque détecteur 16 a, 16 b, 16 c, etc, captant les rayons lumineux issus de la ligne laser 12 avec un certain angle d'ouverture, il peut exister au niveau de la ligne laser 12 une zone de recouvrement Z 3 commune à au moins deux des détecteurs La taille de cette zone de recouvrement Z 3 dépend de l'angle d'ouverture du réseau d'écrans 15 et de l'espace entre chacun des détecteurs de la barrette 16 Aussi, pour diminuer, voire éliminer, cette zone de recouvrement Z 3, on agit sur les différents paramètres de ce réseau d'écrans 15, à savoir l'angle d'ouverture du réseau d'écran et l'espace entre les différents détecteurs. En outre, comme la lentille cylindrique 14 se comporte, dans la direction parallèle à la barrette de détecteurs 16, comme une lame à faces parallèles, la taille de l'image reste constante quelle que soit la distance entre l'objet 1 et l'ensemble constitué du réseau d'écran, de la lentille cylindrique 14 et de la barrette de détecteurs 16. Pour une barrette de détecteurs 16 de longueur L, le réseau d'écrans 15 est de longueur L x 1 (L multiplié par 1) pour une hauteur h et la lentille est de longueur L x l. Selon un mode de réalisation de l'invention, L a pour valeur 25 mm, 1 a pour valeur 25 mm et h vaut 60 mm. La hauteur h est déterminée par l'angle d'ouverture A de l'écran, à savoir h = e/A, o e est l'épaisseur d'une lame transparente de l'écran. De façon avantageuse, l'épaisseur e est choisie relativement petite de façon à ce que le réseau d'écrans 15 soit le moins encombrant possible. Le dispositif selon l'invention comporte également des moyens de traitement qui n'ont pas été représentés sur les figures par mesure de simplification des figures. Ces moyens de traitement permettent d'évaluer la valeur de la vitesse longitudinale du déplacement de l'objet et la valeur de la vitesse latérale de déplacement dudit objet. La vitesse longitudinale est calculée par corrélation temporelle entre le premier et le second il moyens détecteurs d'une façon sensiblement similaire à celle décrite dans les documents de l'art antérieur. On rappelle que le signal électrique issu de chacun des détecteurs est amplifié, filtré puis échantillonné. On calcule ensuite la fonction d'intercorrélation, donnée précédemment, entre les signaux issus de chacun des détecteurs de la barrette et le signal issus du premier détecteur. La vitesse latérale de l'objet est alors calculée en déterminant quel est le détecteur de la barrette 16 dont le signal est le mieux corrélé avec le premier détecteur. On définit ainsi le coefficent de corrélation entre deux signaux x(t) et y(t) par l'expression suivante Pxy = Cxy(t') ( zx(t)2 Ly(t-t)2)-1/2, o Cxy(t') représente la valeur du pic de la fonction de corrélation Dans le cas o l'acquisition des signaux se fait exactement sur la même trajectoire, on a x(t)=y(t-t') et Cxy(t')= Ix 2 = Iy 2, donc pxy=l La valeur de la fonction p décroît lorsque les trajectoires ne sont plus les mêmes. Pour déterminer quel est le détecteur de la barrette qui est le plus proche de la trajectoire suivie par l'objet, on recherche le maximum du coefficient de corrélation p sur l'ensemble des détecteurs de la barrette. Ainsi, lorsque l'on connaît le point de passage de la trajectoire au niveau de la barrette de détecteurs, on connaît l'angle du vecteur vitesse par rapport à l'axe de référence. La vitesse longitudinale est donc finalement déterminée à partir de la valeur t' maximum correspondant au détecteur ayant le plus fort coefficient de corrélation. Ce dispositif selon l'invention utilise donc des ondes optiques, ainsi qu'une première source laser ponctuelle et une seconde source laser projetant un plan laser sur l'objet dont on cherche à déterminer la valeur. La réception du rayon lumineux rétrodiffusé se fait sur une barrette de détecteurs dont les détecteurs sont, de préférence, des photodiodes La taille de chaque photodiode détermine la résolution dudit système et donc la taille des segments de la ligne laser reçus par les photodiodes. En outre, ces photodiodes présentent l'avantage d'être compactes, robustes et bon marché L'ensemble du dispositif selon l'invention est donc robuste et d'un coût tout à fait intéressant. REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure de la vitesse de déplacement d'un objet par rapport à un repère situé dans un plan de référence, ledit objet étant en mouvement par rapport à ce plan, comportant: une première et une seconde sources lumineuses ( 2, ) projetant respectivement un premier et un second faisceaux lumineux ( 3, 11) sur l'objet ( 1); des premiers et seconds moyens détecteurs de lumière ( 7, 16) associés respectivement à la première et à la seconde sources lumineuses; des moyens de traitement pour évaluer la valeur de la vitesse de l'objet; et des premiers et seconds moyens optiques ( 6, 14, 15) pour focaliser les premiers et seconds rayons lumineux rétrodiffusés sur les premiers et seconds moyens détecteurs respectifs, caractérisé en ce que la seconde source lumineuse projette une ligne lumineuse ( 12) sur l'objet, la première source projetant un point lumineux ( 4) sur ledit objet, et en ce que les seconds moyens détecteurs de lumière comportent une barrette de détecteurs dont chacun desdits détecteurs est apte à détecter un segment du plan lumineux focalisé par les seconds moyens optiques. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les seconds moyens optiques comportent une lentille cylindrique ( 14), parallèle au plan de référence, pour focaliser les faisceaux lumineux émis par la seconde source lumineuse et reçus selon une direction sensiblement perpendiculaire audit plan. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les seconds moyens optiques comportent, en outre, entre la lentille cylindrique et la barrette de détecteurs, des moyens d'écran ( 15) pour absorber les faisceaux lumineux ayant un angle d'incidence supérieur à un angle d'incidence de référence. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'écran comportent une pluralité de lames transparentes ( 15 a, 15 c) à la lumière, parallèles les unes aux autres et disposées perpendiculairement au plan. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les lames transparentes sont des lames de verre. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les lames de verre comportent, sur au moins une de ses faces, une couche d'un matériau opaque ( 15 b, 15 d) apte à faire écran à la lumière. 7 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les lames transparentes sont des lames d'air réalisées à partir de feuilles opaque faisant écran à la lumière, disposées perpendiculairement au plan et séparées par de l'air. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de traitement comportent un moyen de corrélation temporel entre les premiers et seconds moyens détecteurs pour déterminer une vitesse longitudinale de l'objet. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de traitement comportent un moyen de recherche de la valeur maximale des coefficients de corrélation déterminés entre chacun des détecteurs de la barrette et le premier moyen détecteur afin de déterminer une vitesse transversale de l'objet. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les sources lumineuses sont des sources laser.