Brevet FR2702856A1 — publié le 19940923

I Procédé de repérage de position assisté par image et dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé L'invention concerne un procédé qui permet de repérer par rapport à un système de coordonnées fixe l'orientation d'un système de coordonnées propre à un objet dont il s'agit de commander le déplace- ment et d'exploiter celle-ci pour corriger la direction de visée (direc- tion d'avance). Dans l'état de la technique, il est connu de déterminer la po- sition d'un système de coordonnées non fixe dans l'espace, propre à un objet, par rapport à un système de coordonnées fixe Citons comme exemple le pilotage de l'avance lors du creusement de tunnels Dans ce cas, pour une avance linéaire prévue, on définit la direction d'avance souhaitée au moyen d'un rayon laser orienté avec précision Dans cette méthode dite à pilotage par rayon, on mesure l'écart de points de réfé- rence appliqués sur l'arrière de la machine de creusement par rapport à la direction théorique indiquée par le rayon laser, les points de réfé- rence étant le plus souvent constitués par des récepteurs optiques asso- ciés à une électronique d'exploitation Toutefois, cette méthode ne permet pas de mesurer directement les mouvements de roulis, de tan- gage et de lacet mais, du fait de la trajectoire qui en résulte, seulement leur mesure indirecte, avec de plus un certain retard Ceci se traduit par le fait que la machine de creusement ne travaille pas en ligne droi- te, comme souhaité En fait, son déplacement varie dans les trois di- mensions autour du rayon laser directeur. Un autre inconvénient de cette méthode est qu'elle exige une "liaison visuelle" entre le laser et les capteurs optiques placés à l'ar- rière de la machine de creusement Si celle-ci n'est plus assurée par suite d'une courbure de la trajectoire, il faut déplacer le laser, opéra- tion qui exige une mesure et un réglage du rayon longs. A cela s'ajoute le fait que l'utilisation d'appareils à laser est soumise à une réglementation stricte pour des raisons " de protection de la vue" et il est fréquent que l'on ne puisse pas utiliser de tels appa- reils pour cette raison L'utilisation de gyromètres à trois axes permettrait d'éviter les inconvénients mentionnés Elle n'est cependant pas envisageable dans la majorité des applications pratiques en raison des conditions d'utilisation dures, de la nécessité de procéder périodiquement à un contrôle des coordonnées et également pour des raisons de coût. L'objet de la présente invention est de proposer un procédé ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de celui-ci qui permette de repérer en continu, pratiquement sans complication et sans dépense supplémentaires mais avec une précision élevée, l'orientation des axes d'un objet manoeuvrable, par exemple d'une machine de creusement de tunnels par rapport au système de coordonnées fixe de l'observateur. Le problème est résolu par le fait que l'on relie rigidement l'unité à piloter (par exemple la machine de creusement de tunnels) à un corps de référence tridimensionnel pourvu d'éléments optiques ser- vant de points de référence optiques, qu'au moyen d'une unité de prise de vues disposée à une distance définie avec une liaison visuelle on repère avec une précision élevée les éléments optiques et que, dans une unité d'exploitation d'image associée, on détermine l'orientation des axes du système de coordonnées de l'unité à commander par rap- port au système de coordonnées de l'unité de prise de vues et on trans- met les valeurs à une unité de commande pour commander les déplace- ments. Conformément à un perfectionnement de l'invention, les élé- ments optiques sont agencés sur le corps tridimensionnel de maniere à garantir une identification univoque des axes de celui-ci. Conformément à un autre perfectionnement de l'invention, on mesure avec précision la position du corps de référence optique par rapport à l'unité à piloter et la position des points de référence opti- ques les uns par rapport aux autres et on stocke les valeurs dans la mé- moire d'un calculateur du système. Conformément à un autre perfectionnement de l'invention, on règle de manière manuelle ou de manière automatique l'axe de détec- tion de l'unité de prise de vue. Au moyen d'un programme de suivi de visée intégré au calcu- lateur du système, on procède en continu à un réglage optimisé de l'unité de prise de vue selon la méthode de corrélation ou la méthode des intensités. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'inven- tion comprend un corps de référence optique tridimensionnel qui est fixé rigidement à l'arrière de la machine de creusement et dont les an- gles sont pourvus de sources lumineuses dont l'émission est agencée de manière à permettre une identification individuelle spectrale et temporelle univoque ainsi qu'une unité de prise de vues munie d'un ob- jectif à focale variable qui est associée au corps de référence et est disposée à une distance déterminée de la machine de creusement. Selon un mode de réalisation avantageux du dispositif conforme à l'invention, le corps de référence a la forme d'une pyrami- de aux angles de laquelle sont disposées les sources lumineuses. Conformément à une variante du dispositif selon l'invention, l'unité de prise de vues à focale variale est montée à l'arrière de la ma- chine de creusement avec une orientation définie de ses axes et les sources lumineuses servant de points de référence occupent une posi- tion fixe dans l'espace. Conformément à un perfectionnement de l'invention, l'émis- sion des différentes sources lumineuses est activée de manière sélecti- ve par l'unité de commande. Conformément à un autre perfectionnement du dispositif se- lon l'invention, un élément de détection lit le facteur de grossissement de l'optique et le transmet au calculateur. Conformément à un autre perfectionnement du dispositif se- lon l'invention, aux fins d'assurer le repérage de la machine de creuse- ment même lorsque la liaison visuelle entre l'unité de prise de vue et le corps de référence est interrompue, on mesure au cours de la pro- gression la position réciproque de points de référence optiques pré- sents dans le voisinage de la machine ou créés de manière artificielle en fonction de la vitesse de progression et de la trajectoire et préala- blement définis par l'unité de prise de vues par rapport au corps de ré- férence. L'invention est décrite ci-après de manière détaillée en se ré- férant à des exemples de réalisation représentés sur les dessins Ceux- ci montrent: figure 1, un schéma-bloc montrant le principe d'une machine de creusement et d'une unité de prise de vues avec les liaisons et les systèmes de coordonnées correspondants, figure 2, trois exemples ( 2 a 2 c) d'orientation du corps de référence placé à l'arrière de la machine de creusement. L'idée de base sur laquelle repose l'invention consiste à repé- rer un corps tridimensionnel de forme adaptée à l'unité ou au support qui le porte, dans le cas présent une machine de creusement de tunnels VM, et pourvu d'éléments repérables optiquement tels que des diodes électro-luminescentes, etc et à créer ainsi un corps dit de référence optique ONK Ce corps de référence optique est observé en continu pendant l'avance de la machine au moyen d'une unité de prise de vues BAE grâca à laquelle on obtient en continu des informations sur l'orientation de chacun des axes dudit corps (système de coordonnées KNK) par rapport au système de coordonnées de l'observateur (systè- me de coordonnées KBAE), lesquelles informations sont transmises à une unité de commande SE aux fins de corriger la visée. L'orientation du système de coordonnées de l'unité VM dont il s'agit de piloter le mouvement et qui est équipée du corps de réfé- rence ONK mentionné précédemment est déterminée de manière simple et avec une grande précision en repérant optiquement ledit corps à l'ai- de de l'unité de prise de vues BAE et en exploitant les données à l'aide de l'unité d'exploitation d'images BV associée. Les caractéristiques de l'unité de prise de vues BAE et la for- me géométrique du corps de référence ONK étant connues, on calcule à partir des données de l'image, outre l'orientation des axes, directe- ment la distance qui sépare l'objet de l'unité de prise de vues Les va- leurs ainsi obtenues sont avantageusement utilisées pour la commande très précise des déplacements Le procédé décrit plus haut peut être utilisé et mis en oeuvre dans de nombreuses situations. Un exemple de réalisation de l'invention est présenté ci-après à partir de l'exemple d'une machine de creusement de tunnels. La figure 1 montre de manière schématique cet exemple de réalisation Le corps de référence optique ONK décrit précédemment est fixé rigidement sur l'arrière de la machine de creusement VM Ce corps de référence ONK est agencé de manière à permettre une identi- fication univoque de ses axes Un corps de forme sphérique par exem- ple serait totalement inadapté en raison de son degré de symétrie éle- vé; comme le montrent les figures 2 a à 2 c, le corps se présente sous la forme d'une pyramide dans le cas présent. On mesure avec précision la position du corps de référence ONK par rapport à la machine de creusement VM ainsi que la position des points de référence optiques LQ 1 à LQ 5 les uns par rapport aux autres et on les mémorise dans le système d'exploitation d'image Au niveau des angles qui, simultanément, constituent les points de réfé- rence mentionnés pour le procédé de mesure sont disposées des sour- ces de lumière LQ 1 à LQ 5 avec des caractéristiques d'émission défi- nies sur le plan du spectre et dans le temps afin de permettre l'identifi- cation individuelle univoque L'émission de chaque source de lumière est commandée de manière ciblée par l'unité de commande. A une distance de par exemple 50 m, laquelle est déterminée par l'application, se trouve l'unité de prise de vue BAE pourvue d'un objectif à focale variable Un capteur lit avec précision le facteur de grossissement (éloignement ou rapprochement) de l'optique et le trans- met au calculateur du système La position et la direction d'observa- tion de l'unité de prise de vues BAE sont déterminées avec précision par le système de coordonnées KBM En règle générale la représenta- tion du corps de référence ONK occupe la totalité du format de l'ima- ge; c'est la raison d'être de l'optique à focale variable de l'unité de pri- se de vues BAE. Lorsque la direction d'observation est perpendiculaire à la base de corps de référence ONK, qui dans le cas présent a la forme d'une pyramide (voir figure 2 a), le point de référence LQ 5 apparaît au centre de l'image comme le montre la figure 2 b Tout écart de position ou de direction du corps de référence ONK et, par suite, de la machine de creusement VM par rapport à l'unité de prise de vues BAE entraîne une modification de la position des images de tous les points de réfé- rence LQ 1 à LQ 5 par rapport à l'unité de prise de vues BAE Si par exemple l'axe longitudinal de la machine de creusement VM a pivoté vers le bas par rapport à la direction d'observation, on obtient la posi- tion des points de référence représentée sur la figure 2 c Celle-ci est calculée au moyen d'algorythmes connus et le calculateur SR détermi- ne à partir des données obtenues la distance actuelle et l'orientation axiale du corps de référence ONK par rapport au système de coordon- nées de référence de l'unité de prise de vues BAE. Lorsque des données d'étude concernant l'évolution de l'avan- ce sont stockées dans une mémoire du système, celles-ci peuvent être comparées aux données réelles et des signaux de correction peuvent être envoyés à l'unité de commande de la machine de creusement en cas d'écart On a ainsi une avance automatique avec une précision op- timale par rapport aux données du plan. Il est prévu dans un deuxième mode de réalisation de fixer l'unité de prise de vues BAE avec une orientation axiale définie rigi- dement sur l'objet qui se déplace dans le cas présent sur la machine de creusement VM et de donner aux points de référence LQ 1 à LQ 5 à mesurer une position fixe dans l'espace La méthode de mesure, etc est analogue à celle décrite précédemment. Dans une variante de réalisation particulière, lorsque la pro- gression a lieu en courbe avec cependant une liaison visuelle on modi- fie manuellement ou de manière automatique le réglage de la position de l'axe de l'unité de prise de vues BAE Dans tous les cas, on mesure avec précision les variations au niveau de la direction d'observation et on les transmet en tant que données actualisées au calculateur du sys- tème pour l'exploitation du nouvel ensemble de points S'il faut suivre des déplacements rapides, un programme de suivi de cible (visée) qui travaille soit selon la méthode de corrélation soit selon la méthode des intensités assure un suivi (réglage) fiable constamment optimisé, de l'unité de prise de vues BAE Les algorythmes utilisés pour cela font partie de l'état de la technique. Ces mesures ont pour résultat que la représentation du corps de référence ONK remplit la totalité du format d'image Ainsi la réso- lution, donnée par exemple par le nombre de pixels de l'élément à transfert de charge (CCD), est elle utilisée pour obtenir une précision de mesure maximale. Il existe de nombreuses possibilités d'agencements du dispo- sitif Ainsi peut-on utiliser pour repérer la position du corps de réfé- rence ONK la projection sur le plan d'image de l'unité de prise de vues BAE des surfaces de référence définies par les points de référence LQ 1 LQ 5; ces surfaces de référence peuvent être agencées indivi- duellement, par exemple couleur ou comportement à l'émission, de ma- nière à permettre sur la base de ces caractéristiques une identification rapide et sans aucun doute possible par l'unité de traitement d'image. En adaptant la représentation optique du corps de référence optique ONK sur le détecteur de l'unité de prise de vues, par exemple un élément CCD, on obtient une précision de mesure maximale en ce qui concerne l'orientation de l'axe et la distance En lisant et en tenant compte des paramètres d'image de l'unité de prise de vues BAR on dé- termine la distance entre le corps de référence optique ONK et l'unité de prise de vues BAE, laquelle est réglée manuellement ou de manière automatique de telle sorte que l'on obtienne une image optimale du corps de référence, que les écarts angulaires soient déterminés avec précision et que ces données comme indiqué précédemment soient prises en compte pour la commande de l'avance de l'objet (machine de creusement). Lorsque l'unité de prise de vues est montée sur l'objet mobi- le, une autre variante de réalisation de l'invention consiste après avoir défini la position du corps de référence, à mesurer la position par rap- port au corps de référence de points de référence existant naturelle- ment ou de points de référence créés artificiellement pendant la pro- gression de la machine de creusement VM On obtient ainsi un premier jeu de points optiques de référence Lors de la poursuite du déplace- ment on repère des jeux supplémentaires de points de référence et on mesure leur position par rapport aux coordonnées de position des points précédents Cette méthode permet d'obtenir pour la détection assistée par image de la position une suite de points de repère dans l'espace à partir desquels on peut piloter la machine de creusement même dans les cas o la liaison visuelle qui existait à l'origine entre l'unité de prise de vues BAE et le corps de référence est interrompue. REVENDICATIONS 1 Procédé permettant de repérer l'orientation par rapport à un système de coordonnées fixes d'un système de coordonnées propre à un objet dont il s'agit de commander le déplacement et d'utiliser celle-ci pour corriger la direction de visée (direction d'avance), caractérisé par le fait que l'unité à piloter (VM) (par exemple une machine de creuse- ment de tunnels) est liée rigidement à un corps tridimensionnel pourvu d'éléments optiques (ONK) formant des points de référence optique (LQ 1 LQ 5), qu'au moyen d'une unité de prise de vues (BAE) dispo- sée à une distance définie avec une liaison visuelle on repère avec une précision élevée les éléments optiques (ONK) et que, dans une unité d'exploitation d'image (BV) associée, on détermine l'orientation des axes du système de coordonnées de l'unité à commander (KONK) par rapport au système de coordonnées de l'unité de prise de vues (KBAE) et on transmet les valeurs à une unité de commande (SE) pour com- mander les déplacements. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps tridimensionnel portant les éléments optiques (ONK) est agen- cé de manière à garantir une identification univoque de ses axes. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on mesure avec précision la position du corps de référence optique (ONK) par rapport à l'unité pilotée (VM) et la position des points de référence optiques (LQ 1 LQ 5) les uns par rapport aux au- tres et on mémorise les valeurs dans la mémoire d'un calculateur du système (SR). 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'axe de détection de l'unité de prise de vues (BAE) peut être ajusté manuellement ou de manière automatique. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'au moyen d'un programme de suivi de cible inclus dans le calculateur du système (SR) on opère en continu un ré- glage optimisé de l'unité de prises de vues (BAE) selon la méthode de corrélation ou selon la méthode des intensités. 6 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la reven- dication 1, caractérisé par le fait qu'un corps de référence optique (ONK) tridimensionnel est fixé rigidement sur l'arrière de la machine de creuse- ment (VM), lequel corps de référence porte au niveau de ses angles des sources lumineuses (LQ 1 LQ 5) dont le comportement d'émission est aménagé sur le plan du spectre et dans le temps de manière à permettre une identification individuelle univoque et qu'une unité de prise de vues (BAE) pourvue d'un objectif à focale variable placée à une distance défi- nie de la machine de creusement (VM) est associée au corps de référence. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la forme géométrique du corps de référence optique (ONK) est celle d'une pyramide aux angles de laquelle sont disposées les sources lumineuses (LQ 1 LQ 5). 8 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que l'unité de prise de vues (BAE) pour- vue d'un objectif à focale variable est montée avec une orientation axiale définie à l'arrière de la machine de creusement (VM) et que les sources lumineuses (LQI LQ 5) à mesurer occupent en tant que points de réfé- rence une position fixe dans l'espace. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que le comportement à l'émission des différentes sources lumineuses (LQ 1 LQ 5) est activé de manière ciblée par l'unité de commande (SE). Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé par le fait que le facteur de grossissement de l'optique (objec- tif à focale variable) est lu par un capteur et transmis au calculateur du système. 11 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que, aux fms d'assurer le repérage de la machine de creusement même dans les cas o la liaison visuelle entre l'unité de prise de vue (BAE) et le corps de référence (ONK) est interrompue, on mesure au cours de la pro- gression la position réciproque de points de référence optiques présents dans le voisinage de la machine ou créés de manière artificielle en fonc- tion de la vitesse de progression et de la trajectoire et préalablement défi- nis par l'unité de prise de vues par rapport au corps de référence.