Brevet FR2698193A1 — publié le 19940520

Dispositif d'acquisition d'informations de position d'un instrument La présente invention conoeme un dispositif d'acquisition d'informations de position, dans le plan ou dans l'espace, en particulier pour l'acquisition d'informations graphiques, par exemple pour la numérisation de tracés, lignes, surfaces ou volumes au moyen d'un instrument utilisé pour réaliser ou recopier ces tracés, lignes, surfaces ou volumes. Un domaine particulier, mais non exclusif, d'application de l'invention est celui de la numérisation de dessins ou formes bidimensionnels ou tridimensionnels en vue de leur affichage en temps réel, de leur traitement, et/ou de leur mémorisation pour une utilisation ultérieure par des moyens informatiques. Plusieurs procédés sont connus pour permettre l'acquisition d'informations graphiques représentatives d'un tracé ou d'une ligne par repérage des positions successives d'un instrument utilisé pour la réalisation ou la recopie du tracé ou de la ligne. Certains de ces procédés utilisent des supports particuliers, ou tablettes de numérisation, qui autorisent un repérage de la position d'une pointe d'un instrument par propagation d'un courant électrique ou de vibrations à partir de la pointe à travers le matériau du support, ou par couplage électromagnétique entre l'instrument et un réseau de conducteurs associés à la tablette. De tels supports particuliers sont généralement coûteux et n'offrent souvent qu'une surface utile de petites dimensions. Pour permettre l'utilisation de supports neutres avec de plus grandes surfaces utiles, il a été proposé de repérer la position de l'instrument par mesure des temps de propagation d'une onde ultrasonore entre un émetteur porté par l'instrument et plusieurs récepteurs occupant des positions déterminées par rapport au support. Des procédés de ce type, autorisant un repérage de position dans un plan ou dans l'espace, en utilisant deux ou trois récepteurs, sont décrits dans les documents FR-A-2 054 633, FR-A-2 423000 et FR-A-2 551542. La synchronisation entre l'émission de l'onde ultrasonore et le début de la mesure du temps de propagation, du côté réception, peut être réalisée par transmission d'une impulsion infrarouge, comme décrit notamment dans le document EP-A- 0 312 481. Le procédé offre alors l'avantage supplémentaire de permettre l'exécution ou la recopie du tracé au moyen d'un instrument sans fil, c est-à-dire sans liaison physique avec le reste du dispositif, en prévoyant une source d'énergie autonome. Les émetteurs et récepteurs utilisés dans ces procédés connus sont omnidirectionnels, c'est-à-dire émettent ou reçoivent une onde ultrasonore dans toute direction de l'espace. Ils sont constitués par des transducteurs piézoélectriques de forme annulaire qui sont généralement coûteux à réaliser. Ils requièrent en outre des niveaux de puissance élevés, ce qui, en pratique ne permet pas de disposer d'instruments sans fil ayant à la fois une autonomie et une portée satisfaisantes. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et propose à cet effet un dispositif d'acquisition d'informations de position comprenant un instrument destiné à repérer des positions à acquérir à l'intérieur d'un domaine utile, au moins un émetteur d'ondes ultrasonores porté par l'instrument et plusieurs récepteurs d'ondes ultrasonores occupant des positions déterminées par rapport au domaine utile, dispositif dans lequel, conformément à l'invention, le ou les émetteurs et les récepteurs d'ondes ultrasonores sont constitués chacun par un transducteur directionnel susceptible d'émettre ou recevoir des ondes ultrasonores à l'intérieur d'un cône d'émission ou de réception centré sur le transducteur, et les récepteurs sont disposés par rapport au domaine utile de sorte que chaque point de celui-ci se trouve à l'intérieur de plusieurs cônes de réception. Cette disposition des récepteurs permet d'utiliser des transducteurs directionnels disponibles dans le commerce à très bas prix. De plus, ces composants consomment relativement peu d'énergie, en particulier lorsque les ondes ultrasonores émises sont sous forme d'impulsions, ce qui favorise l'utilisation d'un instrument sans fil. De plus encore, pour une même énergie émise, un émetteur unidirectionnel a une portée supérieure à celle d'un émetteur omnidirectionnel, ce qui offre la possibilité de travailler dans des domaines utiles de grandes dimensions. En outre, le dispositif conforme à l'invention ne nécessite aucun support devant présenter des caractéristiques particulières pour l'acquisition d'informations de position relativement à ce support. n est donc possible d'utiliser n'importe quel type de support, voire même aucun support. Selon une particularité du dispositif conforme à l'invention, les récepteurs sont disposés par rapport au domaine utile de sorte que chaque point de celui-ci se trouve à l'intérieur d'un nombre de cônes de réception supérieur au nombre minimum nécessaire pour déterminer la position de ce point. Dans le cas de l'acquisition d'informations représentatives de positions dans un plan, ce nombre minimum est égal à deux. Dans le cas de l'acquisition d'informations représentatives de positions dans un volume, ce nombre minimum est égal à trois. Le fait de disposer, pour tout point du domaine utile, d'un nombre de récepteurs supérieur au minimum nécessaire introduit une redondance qui permet d'éliminer des mesures erronées ou aberrantes. D'autres particularités ou avantages du dispositif conforme à l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue générale très schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 illustre la couverture du domaine utile d'acquisition d'informations de position par les récepteurs d'ondes ultrasonores du dispositif de la figure 1, - la figure 3 illustre une variante de disposition des récepteurs d'ondes ultrasonores pour couvrir un domaine utile semblable à celui de la figure 2, et - la figure 4 illustre une disposition de récepteurs d'ondes ultrasonores permettant la couverture d'un domaine utile parallélépipèdique. Le dispositif illustré schématiquement par la figure 1 est destiné à permettre l'acquisition, l'affichage et la mémorisation d'informations graphiques représentatives d'un tracé effectué ou recopié manuellement dans un plan au moyen d'un instrument 10 par appui de la pointe 20 de celui-ci sur une surface utile 52 d'un support 50. Le surface utile 52, qui définit le domaine à l'intérieur duquel le tracé peut être effectué ou recopié, est ici une surface rectangulaire plane. L'instrument 10 a une forme générale d'un stylo avec un corps 22 sensiblement cylindrique portant deux émetteurs d'ondes ultrasonores 12, 14 et au moins un émetteur d'ondes infrarouges 16. Le support 50 est un support neutre, c'est-à-dire ne comporte aucune disposition particulière utile pour l'acquisition d'informations représentatives de la position de la pointe 20 sur le Support. Les émetteurs d'ondes ultrasonores 12, 14 sont situés au voisinage de l'extrémité de l'instrument 10 portant la pointe 20, d'un même côté du corps 22 et sont espacés l'un de l'autre dans la direction de l'axe longitudinal 24 de l'instrument. Les émetteurs 12 et 14 sont disposés de manière à être sensiblement alignés avec l'extrémité de la pointe 20. L'émetteur d'ondes infrarouges 16 est situé au voisinage de l'extrémité de l'instrument 10 opposée à la pointe 20. Les ondes ultrasonores émises par les émetteurs 12, 14 sont reçues par des récepteurs d'ondes ultrasonores 40a, 40b, 40c, 40d, 40e fixés sur le support 50. Les ondes infrarouges émises par l'émetteur 16, par exemple une diode électroluminescente, sont reçues par un récepteur d'ondes infrarouges 42, par exemple une photodiode fixée sur le support 50. Un circuit de traitement 60 reçoit les signaux produits par les récepteurs 40a à 40e et 42 pour calculer la position de la pointe 20 et produire sous forme numérique des informations représentatives du tracé effectué ou recopié au moyen de cette pointe. Ces informations peuvent être mémorisées. Simultanément, ces mêmes informations peuvent être utilisées pour commander par le circuit de traitement 60 l'affichage sur un écran 62 d'une image reproduisant le tracé effectué ou recopié. De façon connue en soi, la position de la pointe de l'instrument est calculée à partir de la mesure des temps de propagation des ondes ultrasonores entre les émetteurs 12, 14 et les récepteurs 40a à 40e. On pourra se référer aux documents cités au début de la présente description, aussi qu'à la demande de brevet français déposée par la demanderesse simultanément à la présente demande sous le titre "Procédé et dispositif d'acquisition et de traitement d'informations graphiques". En bref, des ondes ultrasonores sont émises par les émetteurs 12, 14 sous forme de trains d'impulsions ultrasonores de même fréquence décalés dans le temps. Une impulsion infrarouge de synchronisation est émise par l'émetteur infrarouge 16 simultanément avec chaque impulsion ultrasonore. Les impulsions ultrasonores et infrarouges sont produites en réponse à l'application, aux émetteurs 12, 14, 16 d'impulsions de tension élaborées à partir d'une base de temps contenue dans l'instrument 10. Celui-ci est muni d'une source d'énergie autonome et est donc sans fil. Chaque réception d'une impulsion infrarouge par le détecteur 42 déclenche le fonctionnement de compteurs qui sont associés respectivement aux différents récepteurs d'ondes ultrasonores 40a à 40e, et qui comptent des impulsions d'horloge fournies par une base de temps du circuit de traitement 60. Le réception d'une impulsion ultrasonore par un récepteur 40a à 40e commande l'arrêt du compteur associé à ce récepteur. Le contenu du compteur représente le temps de propagation de cette impulsion ultrasonore. La lecture des contenus des compteurs par le circuit de traitement 60, permet le calcul de la distance entre chacun des émetteurs 12, 14 et chacun des récepteurs 40a à 40e. Pour chaque émetteur, il suffit de prendre les distances calculées par rapport à deux récepteurs pour en déduire les coordonnées de l'émetteur dans un repère lié à la surface 52.Afin d'éliminer des erreurs ou aberrations éventuelles, une confirmation des valeurs des coordonnées peut être obtenue en effectuant les mêmes calculs avec un autre couple de deux récepteurs, en profitant de la redondance offerte par le nombre de récepteurs disponibles. Pour ces calculs, on suppose que la distance entre un récepteur et un émetteur est égale à la distance entre le même récepteur et la projection sur la surface 52 de la position du même émetteur, l'erreur introduite étant négligeable. La pointe 20 occupant une position fixe connue par rapport aux émetteurs 12, 14, la détermination des coordonnées de ceux-ci permet de calculer celles de la pointe. Les émetteurs et récepteurs d'ondes ultrasonores 12, 14 et 40a à 40e sont constitués par des transducteurs piézo-électriques directionnels de même technologie émettant ou recevant les ondes ultrasonores à l'intérieur d'un cône centré sur le transducteur. On pourra par exemple utiliser des composants commercialisés par la société japonaise Murata sous la référence MA 40S2S (pour les émetteurs) et MA 40S2R (pour les récepteurs), ou encore sous la référence MA405AR. Ces composants ont, en émission, une portée pouvant atteindre plusieurs mètres, ce qui offre la possibilité d'avoir des surfaces utiles de grandes dimensions. Le disposition des récepteurs 40a à 40e est choisie pour que tout point de la surface utile 52 se trouve à l'intérieur d'au moins deux cônes de réception différents, ce qui est le minimum requis pour pouvoir déterminer la position de ce point. Dans l'exemple illustré par les figures 1 et 2, les récepteurs sont disposés sur une ligne 54 parallèle à un grand côté 52a de la surface utile 52, à l'extérieur de celle-ci et avantageusement dans un plan parallèle et proche du plan de la surface 52. Les récepteurs 40a et 40e situés aux extrémités de la ligne 54 sont espacés l'un de l'autre d'une distance supérieurs à la longueur du côté 52a. Afin d'assurer une couverture optimale de la surface 52, les récepteurs, en particulier ceux situés aux extrémités de la ligne 54, sont orientés de sorte que l'axe de leur cône de réception soit dirigé sensiblement vers le centre de la surface 52. Bien entendu, le nombre de récepteurs pourra être différent de cinq. On notera toutefois que plus le nombre est petit, plus il est nécessaire d'éloigner les récepteurs de la surface 52 pour couvrir la totalité de celle-ci par les cônes de réception, ce qui peut présenter des inconvénients sur le plan de l'encombrement et en raison de l'affaiblissement plus important des ondes reçues. C'est pourquoi un nombre de récepteurs au moins égal à cinq est préférable. Afin d'apporter la redondance nécessaire pour pouvoir, si désiré, éliminer des erreurs ou aberrations dans la détermination de la position de l'instrument 10 sur la surface 52, chaque point de celle-ci est situé à l'intérieur d'au moins trois cônes de réception, comme c'est le cas sur la figure 2. Une variante de disposition des récepteurs est illustrée par la figure 3. Dans ce cas, quatre récepteurs 40'a, 40'b, 40'c, 40'd sont disposés sur une ligne 54' parallèle au côté 52a de la surface 52 tandis que deux récepteurs supplémentaires 40'e, 40'f sont situés de part et d'autre des côtés 52b, 52c de la surface 52 adjacents au côté 52a. Comme précédemment, ces récepteurs peuvent être avantageusement disposés dans un plan parallèle et proche de la surface 52. Un nombre de récepteurs différent de six pourra être choisi, par exemple en disposant plus ou moins de quatre récepteurs le long de la ligne 54'. On notera que dans les deux dispositions des figures 2 et 3, les récepteurs sont disposés symétriquement par rapport au plan médian P de la surface 52 perpendiculaire au côté 52a. Cela permet de ne pas introduire une dissymétrie de réception selon que l'instrument 10 est tenu par un utilisateur droitier ou gaucher. Dans la description qui précède, il est envisagé l'acquisition d'informations graphiques représentatives d'un tracé dans un plan. Toutefois, il apparaît immédiatement que les principes exposés sont aisément transposables à l'acquisition d'informations graphiques dans l'espace. I1 est alors nécessaire que chaque point du domaine utile dont la forme diffère avec la disposition des récepteurs se trouve à l'intérieur d'au moins trois cônes de réception, pour pouvoir calculer ses coordonnées spatiales, et d'au moins quatre, si une redondance est recherchée. il est en outre nécessaire que les récepteurs ne soient pas tous alignés. La figure 4 illustre une telle disposition dans le cas où le domaine utile est par exemple un volume parallélépipèdique. Le domaine utile 72 est couvert par cinq récepteurs 70a, 70b, 70c, 70d et 70e disposés à l'extérieur du domaine 72 sur deux lignes orthogonales 74, 74', respectivement parallèles à deux arêtes adjacentes du parallélépipède 72. Les récepteurs 70a, 70b, 70c sont alignés sur la ligne 74 parallèle à une grande arête du parallélépipède 72. Les récepteurs 70b, 70d et 70e sont alignés sur la ligne 74' perpendiculaire à la ligne 74. L'ensemble des récepteurs est disposé symétriquement par rapport à un plan P' de symétrie du domaine 72 contenant la ligne 74' et perpendiculaire à la ligne 74. Revendications 1. Dispositif d'acquisition d'informations de position comprenant un instrument (10) destiné à repérer des positions à acquérir à l'intérieur d'un domaine utile (52; 72), au moins un émetteur d'ondes ultrasonores (12, 14) porté par l'instrument et plusieurs récepteurs (40a à 40e; 40'a à 40'f; 70a à 70e) d'ondes ultrasonores occupant des positions déterminées par rapport au domaine utile, caractérisé en ce que le ou les émetteurs (12, 14) et les récepteurs (40a à 40e; 40'a à 40'f; 70a à 70e) d'ondes ultrasonores sont constitués chacun par un transducteur directionnel susceptible d'émettre ou recevoir des ondes ultrasonores à l'intérieur d'un cône d'émission ou de réception centré sur le transducteur, et les récepteurs sont disposés par rapport au domaine utile (52; 72) de sorte que chaque point de celui-ci se trouve à l'intérieur de plusieurs cônes de réception. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les récepteurs (40a à 40e; 40'a à 40'f; 70a à 70e) sont disposés par rapport au domaine utile (52; 72) de sorte que chaque point de celui-ci se trouve à l'intérieur d'un nombre de cônes de réception supérieur au nombre minimum nécessaire pour déterminer la position de ce point. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les récepteurs (40a à 40e; 40'a à 40'f) sont disposés symétriquement par rapport à un plan de symétrie du domaine (52). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel le domaine d'acquisition est une surface plane (52), caractérisé en ce que les récepteurs (40a à 40e) sont disposés sur une même ligne (54) d'un côté de la surface (52). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel le domaine d'acquisition est une surface plane rectangulaire (52), caractérisé en ce que les récepteurs (40'a à 40't) sont disposés sur une ligne (54') parallèle à l'un des côtés de la surface (52) ainsi que de part et d'autre des deux côtés adjacents à celui-ci. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 3 dans lequel le domaine utile (72) est un volume, caractérisé en ce que les récepteurs (70a à 70e) sont disposés sur des lignes orthogonales (74, 74').