Brevet FR2716723A1 — publié le 19950901

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DU DEPLACEMENT RELATIF ENTRE DEUX COMPOSANTS La présente invention concerne la mesure du déplacement relatif entre deux composants, mobiles l'un par rapport à l'autre. L'invention est applicable dans de nombreux domaines, et en particulier dans celui des installations de transport à véhicule (constituant le premier composant) circulant sur une voie de guidage (constituant le second composant). Il sera surtout question de cette application, mais l'invention peut également s'appliquer à bien d'autres domaines et notamment aux installations industrielles dans lesquelles un produit (constituant le second composant) de forme allongée traverse un appareil (constituant le premier composant), tel qu'un laminoir ou une machine de papeterie. Dans toutes ces installations en effet, les automatismes de commande et de contrôle exigent la mesure d'un déplacement et/ou d'une vitesse. On connaît déjà de nombreux procédés de mesure du déplacement ou de vitesse. Dans le domaine ferroviaire, le procédé le plus utilisé consiste à mesurer la vitesse de rotation des roues. Ce mode de mesure est peu précis du fait du glissement. Il exige au surplus un recalibrage périodique du fait de l'usure des roues. On a également proposé des procédés de mesure de vitesse par effet Doppler, utilisant un générateur d'onde hyperfréquence rétrodiffusée par la voie. Ce procédé est difficile à sécuriser et ne donne pas de résultat significatif aux vitesses faibles. On a enfin proposé un procédé de mesure suivant lequel on forme, à partir d'un premier des composants, deux images successives du réseau d'interférence obtenu par illumination du second composant avec une lumière cohérente, avec une surface illuminée suffisamment étendue pour qu'une partie commune du second composant participe à la formation des deux images du réseau d'interférence et on détermine la meilleure coincidence entre les deux images (par détermina- tion du maximum de la fonction d'intercorrélation spatiale dans l'art antérieur). Ce procédé utilise le fait que la diffusion d'une source lumineuse cohérente par un objet rugueux, tel qu'un rail, donne lieu à une figure d'interfé- rence à trois dimensions dont l'intersection avec un plan (plan focal d'une caméra ou rétine) présente des pics de lumière, appelés tavelures". L'intercorrélation entre images successives permet de calculer le déplacement relatif des composants. Mais la prise d'image sous illumination continue permet difficilement d'adopter un temps de pose inférieur à 1 ms, ce qui limite la vitesse maximale du mobile à quelques mètres par seconde. Au surplus, les conditions d'illumi- nation de la zone commune du second composant qui contribue à la formation des deux figures d'interférence changent d'une image à la suivante et cela d'autant plus que la vitesse est élevée. La présente invention vise à fournir un procédé de mesure du genre ci-dessus défini permettant d'admettre une vitesse et de donner une précision élevées. Elle propose notamment dans ce but un procédé caractérisé en ce qu'on forme les deux images par deux illuminations successives brèves, ayant sensiblement la même incidence, décalées spatialement par rapport au premier composant dans la direction du déplacement d'une distance correspondant approximativement au déplacement relatif intervenu entre les composants entre les deux illuminations. La mise en oeuvre du procédé exige une connaissance approximative de la vitesse relative. Cette connaissance peut être obtenue par un autre procédé, moins précis et moins fiable. Si la mesure est répétitive à partir du début du mouvement, il suffit de déduire la vitesse relative du déplacement et de l'intervalle de temps entre les deux images au cours d'une mesure, de la mémoriser et de choisir le décalage, pour la mesure suivante, à la valeur correspon- dant au déplacement relatif qui aurait lieu en cas de maintien de la même vitesse. Il est également possible de corriger la valeur du déplacement en mesurant approximative- ment l'accélération du véhicule et en en déduisant la variation de vitesse attendue. Dans le cas d'un procédé de mesure de la vitesse d'un véhicule sur voie ferrée, le premier composant sera consti- tué par le véhicule et le second composant par un élément allongé de la voie, habituellement un rail. L'invention vise également à fournir un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini. Ce dispositif peut comporter, sur le premier composant: des moyens de génération de lumière cohérente, des moyens pour former et mémoriser deux images successives ayant la même position par rapport au premier composant, séparées par un intervalle de temps suffisamment court pour que ces deux images présentent un recouvrement, et des moyens pour déterminer, par la meilleure coincidence entre les deux images, le déplacement relatif entre les composants. Les moyens générateurs sont commandés pour provoquer deux illuminations de durée brève du second composant, destinées chacune à former une desdites images, et ils sont munis de moyens déflecteurs commandés de façon à décaler les deux illuminations, par rapport au premier composant, dans le sens de déplacement, d'une longueur telle que les images soient prises dans les mêmes conditions d'illumination du second composant. Les moyens générateurs peuvent comporter une ou plu- sieurs diodes laser pulsé, bien qu'un laser YAG présente l'avantage d'être davantage monochromatique, mais au prix d'un investissement beaucoup plus élevé. Les moyens de formation d'image seront généralement une barrette CCD placée de façon que son sens d'allongement soit parallèle au sens du déplacement, ou une matrice dans la mesure o on souhaite mesurer également un déplacement transversal éventuel. Souvent il sera possible de se dispenser d'une optique de formation d'image, puisque l'on cherche à obtenir simplement la trace d'intersection d'une figure d'interfé- rence à trois dimensions avec un plan (dans le cas d'une matrice) ou une ligne (dans le cas d'une barrette). Le générateur peut avoir des constitutions très diver- ses, dont quelques-unes seulement seront données plus loin, à titre d'exemples. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres, avantageusement utilisables en liaison avec les précédentes mais pouvant l'être indépendamment, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est un synoptique de principe d'un premier mode de réalisation; - la figure 2 est un schéma destiné à montrer les étapes successives de mesure; et - les figures 3, 4, 5 et 6, similaires à une fraction de la figure 1, montrent des variantes de réalisation. Le dispositif dont la constitution de principe est montrée en figure 1 est destiné à mesurer la vitesse et/ou le déplacement d'un mobile constitué par un véhicule de transport en commun, suivant une direction ú matérialisée par un rail 10. La totalité du dispositif est portée par le véhicule et le dispositif peut s'insérer dans la chaîne de commande du véhicule, à laquelle il fournit des données de vitesse et de déplacement. Le dispositif comporte des moyens permettant de générer deux fois la même figure d'interférence, en illuminant deux fois une même portion du rail, sous la même incidence, et chaque fois pendant un court intervalle de temps. Dans le mode de réalisation montré en figure 1, les moyens de génération de deux éclairs comportent deux sources pulsées 12a et 12b, qui seront généralement des diodes laser. Les deux diodes laser sont commandées de facon à fournir deux illuminations successives, séparées par un intervalle de temps L. Des moyens sont prévus pour qu'une zone commune du rail 10 soit illuminée par les deux éclairs, c'est-à-dire pour que les faisceaux 14a et 14b couvrent pratiquement la même zone du rail 10, comme indiqué par le rectangle 16 sur ia figure 2. Il est souhaitable que la portion éclairée du rail soit rectangulaire et allongée dans le sens du déplace- ment, afin que les moyens de formation de l'image de la trace du réseau d'interférence recoivent une trace bien identifiée. Dans le cas illustré sur la figure 1, l'illumination d'une même zone est obtenue en asservissant la position de la tâche lumineuse formée sur le rail par la source 12b à la position de la tâche formée par la source 12a, qui fournit un faisceau de sortie fixe, à travers une lame semi-transpa- rente 18. Pour cela le faisceau de la seconde source 12b est renvoyé vers le rail par un miroir fixe 20, et la lame semi- transparente 18 et traverse des moyens déflecteurs qui permettent de translater le faisceau 14b, par rapport au faisceau 14a, d'une distance _ sensiblement égale au déplacement du mobile entre les deux éclairs. Les moyens déflecteurs montrés en figure 1 sont consti- tués par une lame à faces parallèles 22 qu'un moteur pas à pas 24, ou un organe moteur similaire, permet d'orienter. Lorsque la lame est dans la position montrée en traits pleins, elle fait coincider les faisceaux 14a et 14b. Lorsqu'elle est placée obliquement, comme indiqué en tirets, elle translate le faisceau de sortie 14b d'une distance qui est fonction de la position angulaire de la lame. La valeur maximum que la lame permet de donner à - est choisie en fonction de l'intervalle de temps entre deux éclairs et de la vitesse maximale du mobile. A titre d'exemple, on peut utiliser des diodes laser fournissant des éclairs de 50 nanosecondes, ce qui est suffisamment court pour obtenir des images nettes juqu'à 350 km/h environ. L'intervalle de temps entre les deux éclairs peut être de quelques dizaines de millisecondes seulement, ce qui correspond à un écart d (figure l)de quelques millimètres à la vitesse maximale de 350 km/h. Le dispositif montré en figure 1 comporte un organe de calcul et de commande 26 à microprocesseur, qui commande chaque séquence de mesure et fournit, sur une sortie 28, la valeur mesurée du déplacement dl entre deux éclairs succes- sifs d'une même séquence. Un autre circuit de calcul 30 permet de fournir la vitesse à partir du déplacement dl et de la connaissance de l'intervalle de temps t qui sépare les deux éclairs. L'organe de calcul et de commande 26 fournit un top de début de séquence à une électronique 32 de commande des éclairs qui provoquent l'émission du faisceau 14a, puis, avec un retard t, fixé ou ajustable à l'aide d'un élément 34, l'émission du faisceau 14b. Le moteur pas à pas 24 des moyens déflecteurs est commandé par un organe 36 qui calcule la distance jA à partir du retard L et de la vitesse et provoque l'orientation de la lame 22. En cas de mesures répétitives, la vitesse Y fournie à l'organe de calcul et de commande 36 peut être celle calculée à la séquence précé- dente par l'organe 30. Lors de l'initialisation, ou même lors du fonctionnement courant, une valeur approximative de la vitesse peut être fournie, sur une entrée 38, par un autre organe, par exemple un capteur placé sur une roue du véhicule. L'écart d n'intervient en effet pas dans le calcul de la vitesse: il doit simplement être tel que les deux éclairs illuminent sensiblement la même zone du rail, sensiblement sous la même incidence. L'organe 36 peut également être prévu pour recevoir un signal représentatif de l'accélération, à partir d'un élément 40, et corriger en conséquence la mesure de vitesse qu'il reçoit sur son entrée en provenance de l'organe 30. Les moyens du dispositif destinés à former deux images successives, décalées l'une par rapport à l'autre du déplacement d1 (figure 2) sont constitués, dans le mode de réalisation illustré, par une barrette 42 de capteurs à couplage de charge, ou barrette CCD. On peut notamment utiliser une barrette comportant mille sites photosensibles répartis sur une longueur de lcm, qui reçoit la figure d'interférence à travers un filtre coloré de sélection, adapté à la longueur d'onde d'émission des sources pulsées 12a et 12b. Le circuit 26 de calcul et de commande reçoit les images successives, transmises par l'électronique 44 de lecture de la barrette, et calcule la distance parcourue d1 par traitement d'image. Parmi les méthodes de traitement commodes, on peut en particulier adopter le calcul de la fonction d'intercorrélation, qui présente un pic dont l'abscisse représente la valeur dl du déplacement du train entre les deux éclairs, avec un coefficient de proportionna- lité dans le cas o la barrette est précédée d'une optique présentant un grandissement différent de 1. Dans la variante de réalisation montrée en figure 3, o les organes correspondant à ceux déjà décrits portent le même numéro de référence, une seule source pulsée 12 est utilisée pour fournir deux éclairs successifs, séparés par l'intervalle de temps t. Le premier éclair illumine le rail à travers une lame semi-réfléchissante 46, un premier obturateur 48a et la lame semi-transparente 18. Le second éclair suit un trajet comportant une réflexion sur la lame semi- réfléchissante 46, une réflexion sur le miroir fixe 50, la traversée de la lame à faces parallèles orientable 22, une réflexion sur le miroir fixe 20 et la traversée d'un second obturateur 48b. Dans ce cas, l'organe de commande et de calcul 26 est prévu pour ouvrir l'obturateur 48a lors du premier éclair et le fermer lors du second, et pour ouvrir l'obturateur 48b lors du second éclair seul. La commande du moteur pas à pas de la lame à faces parallèles 22 peut être la même que dans le cas précédent. Dans la variante de réalisation montrée en figure 4, les moyens de génération d'illumination comportent une seule source pulsée 12. Les moyens déflecteurs sont constitués par les miroirs 18 et 20, orientables par des éléments de commande 52 et 54 commandés en synchronisme, à vitesse de réponse suffisamment élevée pour que la durée t suffise à la déflexion. Ces éléments 52 et 54 peuvent notamment être des cales en matériaux piézo-électrique, dont la tension de commande est fournie par l'organe de calcul de position, non représenté sur la figure 4. Le changement simultané d'orien- tation des miroirs 18 et 20 permet de faire passer le faisceau de la position 14a à la position 14b par rapport au véhicule, l'écart A entre les faisceaux étant choisi de façon que le rail soit illuminé par les deux éclairs successifs au même emplacement et sous la même incidence. Dans la variante de réalisation montrée en figure 5, les moyens déflecteurs sont constitués par des cellules acousto- optiques, dont une seule 56 est représentée. En faisant varier les fréquences des signaux d'alimentation V1 et v2 du matériau piézoélectrique de commande, on modifie la longueur d'onde des ondes ultra-sonores stationnaires dans le cristal qui modifie le réseau de diffraction qu'elles génèrent. Le mode de réalisation de la figure 5 présente l'avantage d'être particulièrement rapide et de permettre une poursuite même en cas de modification rapide de la vitesse ou de temps t très bref. D'autres variantes de réalisation encore sont possibles. En particulier, les moyens de formation d'image peuvent être constitués par un capteur matriciel, remplaçant la barrette 42. Il est dans ce cas possible de déterminer la vitesse du mobile non seulement dans le sens de déplacement normal, mais aussi transversalement, et d'asservir la position du faisceau 14b dans tous les sens en ajoutant des éléments déflecteurs. Il est encore possible de mettre en oeuvre un procédé qui utilise, au lieu de la poursuite que l'on peut qualifier de spatiale utilisée dans les modes de réalisation précé- dents, une poursuite temporelle. Pour cela, on utilise encore deux faisceaux décalés l'un par rapport à l'autre. Mais la distance A de ces deux faisceaux est fixe. En revanche, l'élément qui fixe le retard t est prévu pour modifier ce retard, c'est- à-dire l'intervalle de temps qui sépare les deux éclairs successifs, en fonction de la vitesse précédente mesurée, et cela de façon que la même portion du rail reçoive les deux éclairs successifs. La disposition peut être celle schématisée en figure 6. L'élément 34a reçoit un signal provenant d'un organe de calcul et de commande qui peut être comparable à l'organe 36 de la figure 1. Il donne au retard t1 la valeur d/v, M étant la dernière vitesse mesurée. Si la mesure doit être effectuée sur une plage de vitesses importante, une disposition à deux diodes peut exiger des retards t1 importants. Pour limiter la valeur de retard, on peut disposer une diode supplémentaire 12c (ou plusieurs diodes) entre les diodes 12a et 12b et utiliser, suivant la vitesse, la diode 12b ou 12c. Par exemple on peut prévoir un nombre de diodes tel que les retards à créer s'étalent, pour le domaine de mesure nécessaire, entre us et 2 ms. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure du déplacement relatif entre deux composants mobiles l'un par rapport à l'autre, suivant lequel on forme, à partir d'un premier des composants, deux images successives du réseau d'interférences obtenu par illumination avec une lumière cohérente, à partir du premier composant, du second composant (10) avec une surface illuminée suffisamment étendue pour qu'une partie commune du second composant participe à la formation des deux images du réseau d'interférence et on détermine la meilleure coinci- dence entre les deux images, caractérisé en ce qu'on forme les deux images par deux illuminations successives brèves, ayant sensiblement la même incidence, décalées par rapport au premier composant d'une distance correspondant approxima- tivement au déplacement relatif intervenu entre les compo- sants. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on déduit la vitesse relative (v) du déplacement (dl) et de l'intervalle de temps (t) entre les deux images, on le mémorise et on choisit le décalage (d) correspondant au déplacement relatif à la même vitesse (v). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on choisit le décalage (d) à partir de la vitesse relative des mobiles, mesurée par d'autres moyens. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on mesure l'accélération relative des deux composants et en ce qu'on corrige le décalage (dl) en fonction de l'accélération. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, destiné à la mesure de la vitesse d'un véhicule circulant sur voie ferrée et constituant le premier compo- sant, caractérisé en ce que les images formées sont celles d'un rail, constituant le second composant. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance est maintenue à une valeur fixe et en ce que les deux illuminations successives brèves sont décalées de façon temporelle d'un intervalle de temps tel que les deux illuminations éclairent une partie commune du second composant. 7. Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, sur le premier composant: des moyens de génération de lumière cohérente (12; 12a;12b), des moyens (22) pour former et mémoriser deux images successives ayant la même position par rapport au premier composant, séparées par l'intervalle de temps (t) suffisamment court pour que les deux images présentent un recouvrement, et des moyens (26) pour détermi- ner, par recherche de la meilleure coincidence entre les deux images, le déplacement relatif entre les composants, lesdits moyens générateurs (12;12a;12b) étant commandés pour provoquer deux illuminations de durée brève du second composant, destinées chacune à former une des images et étant munies de moyens déflecteurs (22;18;20; 56) commandés de façon à décaler spatialement les deux illuminations, par rapport au premier composant, dans le sens de déplacement (f), d'une longueur (d) telle que les images soient prises dans les mêmes conditions d'illumination du second compo- sant. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de génération de lumière cohérente sont constitués par au moins une diode laser pulsée (12) ou par un laser YAG. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les moyens pour former et mémoriser deux images successives comprennent une barrette CCD (42) allongée dans le sens du déplacement. 10. Dispositif selon les revendications 7 à 9, caracté- risé en ce que les moyens de génération de lumière cohérente comportent deux sources (12a,12b) dont l'une fournit un faisceau fixe et l'autre fournit un faisceau qui traverse les moyens déflecteurs. 11. Dispositif selon les revendications 7 à 9, caracté- risé en ce que les moyens de génération de lumière cohérente comprennent une seule source (12) dont le faisceau de sortie est divisé en deux trajets dont l'un est fixe et comporte un premier obturateur (48a) et l'autre passe par les moyens déflecteurs (22) et un second obturateur (48b).