Brevet FR2718519A1 — publié le 19951013

I L'invention se situe dans le domaine des dispositifs de visée pour arme individuelle du type dans lequel un réticule collimaté doit être mis en coïncidence avec la cible visée. De façon classique le réticule est visible à travers un oeilleton ou un oculaire lié de façon plus ou moins directe à l'arme. Ainsi sur un fusil le réticule et l'oeilleton sont montés directement sur le canon du fusil et le tireur doit porter l'oeilleton donc le fusil dans la ligne de visée. Cette façon de viser est préjudiciable à la rapidité du tir et est d'un io emploi peu commode avec les équipements de protection dont sont maintenant munis les combattants. Dans les Etat Majors on envisage que les combattants portent des casques équipés en particulier de caméras jour/nuit à grands champs et de systèmes de visualisation sous forme de lunettes ou de visières de casque. Ces visuels de casque permettent une vision mono ou bi-occulaire à grands champs permettant au porteur de visualiser outre l'image de la caméra de casque, des graphismes symboliques générés par des systèmes numériques portés également par le combattant ou reliés à lui au moyen d'une liaison. Ces moyens permettent au combattant d'avoir une vision extérieure associée ou non à des graphiques générés par calculateur aussi bien le jour que la nuit. Ils lui permettent d'avoir cette vision en dépit des protections qu'il porte au niveau des yeux pour se protéger des attaques chimiques ou par rayonnement. Les moyens de visée traditionnels avec oeilleton et réticule peuvent donc été remplacés par d'autres moyens. Un premier moyen connu est de placer sur l'arme et dans son axe, un laser continu dont le rayon est distingué par la caméra et donc représenté dans le visuel de casque en même temps que l'image du fond. Lorsque le rayon laser a été placé sur la cible, le combattant peut alors effectuer le tir à coup sûr. Ce dispositif a l'avantage d'être très intuitif (principe du jet d'eau) mais a l'inconvénient d'être actif c'est à dire éminemment détectable par l'adversaire en lui donnant de plus la possibilité (avec un minimum d'équipement) de localiser et de tirer sur son agresseur avant d'être lui même menacé. Dans un second moyen connu, I'arme est dotée aussi (en plus du casque) d'une caméra placée dans l'axe de l'arme. La localisation de l'axe de la caméra de l'arme (et donc de l'arme) relativement à l'axe de la caméra de casque (et donc du casque) s'obtient par corrélation des images des deux caméras voyant au moins une partie de paysage en commun. Cette position relative une fois calculée un réticule présentant l'axe de l'arme convenablement placé relativement à la vue de la caméra de casque est présenté sur le visuel o de casque. Le tir s'effectue alors dans des conditions similaires au cas précédent mais le dispositif est alors entièrement passif. Les inconvénients de cette approche sont les puissances de traitement numérique nécessaires pour la corrélation des images ainsi que la nécessité de transférer entre l'arme et le casque l'un des débits numériques d'image afin de réaliser à un endroit la corrélation. Enfin la corrélation entre les parties d'image communes aux deux caméras n'est pas toujours effectuée de façon fiable dans certaines configurations de paysages. La présente invention a pour but un dispositif passif de visée pour une arme portée par un tireur équipé d'un visuel de casque, et ne nécessitant qu'une puissance de calcul et des débits de transfert entre arme, casque et calculateur faibles. Elle vise aussi un dispositif de visée qui améliore la précision de la restitution de l'axe de tir. Enfin, il s'agit d'un système de visée qui matérialise l'axe de tir dans le visuel du casque. En effet du fait que l'axe de l'arme n'est plus nécessairement aligné avec le regard du porteur de l'arme, la direction de pointage de l'arme ne peut plus être matérialisée simplement par un point et il devient nécessaire de matérialiser la ligne de tir de l'arme. La présente invention comporte comme le second dispositif décrit de l'art antérieur deux caméras l'une sur le casque et l'autre sur le fusil. Chacune de ces caméras comporte un objectif grand champs, permettant de former une image optique. La caméra placée sur l'arme a une position, et une orientation telle que lorsque l'arme est en position de tir, au moins un repère optique remarquable, physiquement lié au casque, est dans le champ de la caméra de l'arme. La caméra du casque a une position et une orientation telles que lorsque le tireur regarde en avant, en ayant son arme en position de tir, au moins deux repères optiques remarquables physiquement liés à l'arme sont dans le champ de la caméra du casque. Lorsque le fonctionnement du dispositif selon l'invention aura été décrit on comprendra que le fonctionnement présente une certaine symétrie. Ainsi le fonctionnement reste le même dans son principe avec deux repères optiques sur le casque et un seul sur le fusil. Les repères optiques du casque ou de l'arme peuvent être des émetteurs actifs d'une forme et d'une brillance aisément identifiable par traitement des images optiques de chacune des caméras. Ce seront de préférence des repères fonctionnant par réflexion de jour par exemple des catadioptres et par émission la nuit. Il pourra s'agir à cette fin de surfaces de matériaux transflexifs présentant une successions prédéterminée de contrastes connus. En réflexivité pour le fonctionnement de jour, il pourra s'agir de surface présentant une succession de surfaces partielles dont les rapports de coefficient de réflexion sont connus. En transmission il pourra s'agir de surfaces rétroéclairées dont les rapports de coefficients de transmission sont connus. Avec des matériaux transflexifs on pourra utiliser les mêmes surfaces. Le rayonnement de rétroéclairage sera de préférence situé dans des longueurs d'onde se situant à la fois dans la bande de sensibilité des capteurs optiques des caméras et dans une bande ayant un mauvais coefficient de transmission dans l'air de façon à rester discret. Il pourra s'agir par exemple de bandes se situant dans le proche infrarouge ou ultraviolet. Les trois repères optiques remarquables déterminent la position de points remarquables qui eux-mêmes déterminent un plan P contenant l'axe du canon de l'arme ou dans certains modes de réalisation, un axe décalé de façon connue de cet axe. La distance entre deux repères donc deux points de l'arme ou du casque est connue. Il en résulte qu'à partir des positions des repères du casque dans l'image de la caméra de l'arme, et des repères de l'arme de la caméra du casque il est possible de calculer la direction de pointage de l'arme dans un repère lié au casque et d'afficher cette direction par la position d'un ou plusieurs réticules dans le visuel de casque. En résumé l'invention est relative à un dispositif de localisation et restitution d'une ligne de tir pour une arme portée par un tireur équipé d'un casque, le dispositif comprenant deux caméras une première et une seconde ayant chacune un objectif et au moins un capteur sensible à des radiations lumineuses, la première caméra étant montée sur le casque et la seconde sur l'arme un calculateur recevant des informations numérisées de chacune des caméras et calculant et commandant à partir de ces informations numérisées un système de visualisation, pour y faire apparaître une symbologie matérialisant en temps réel l'axe de tir de l'arme, dispositif caractérisé en ce que au moins trois repères optiques remarquables dans la gamme de sensibilité du ou des capteurs sont réparties entre l'arme et le casque et en ce que en positions de tir, les repères du casque sont dans le champs de la caméra de l'arme et les repères de l'arme dans le champs de la caméra du casque. Le mot casque au sens de l'invention ne désigne pas uniquement un moyen de protection de la tête du tireur, mais tout dispositif lié de façon rigide à la tête du tireur sur lequel il est possible de monter de façon rigide une caméra, au moins un repère optique passif et/ou actif et un visuel. Un repère optique est dit remarquable, s'il est facilement identifiable, par exemple en fonction de son niveau de brillance ou par une succession sur un ou deux axes de contrastes connus. On veut dire par là que les coefficients de réflexion ou de transmission de deux surfaces adjacentes successives contribuant à la localisation d'un point remarquable ont entre eux un rapport connu. Les repères optique sont par exemple répartis à raison de deux sur l'arme et un sur le casque ou l'inverse. Il est également possible de disposer plusieurs repères optiques remarquables sur le casque et sur l'arme. Si la sélectivité des capteurs des caméras n'est pas suffisante les objectifs des caméras peuvent être munis de filtres ne laissant passer qu'une bande de radiations étroite autour de la fréquence d'émission des repères actifs. Les radiations des repères actifs de l'arme peuvent être différentes des radiations des repères du casque. Dans ce cas les filtres des caméras d'arme et de casque seront adaptés le premier pour laisser passer les radiations en provenance des repères du casque et le second pour laisser passer les radiations en provenance des repères de l'arme. Les filtres peuvent être interposés de façon intermittente seulement, il peut s'agir de filtres mécaniques ou de préférence de filtres résultant d'un changement d'état d'une matière, par exemple 1o contenue entre deux lames, le changement optique résultant d'une variation du champs électromagnétique dans la matière. De telles possibilités de filtrage sont connues dans l'art. Le synchronisme des changements d'état optique des filtres et les périodicités sont commandés par un calculateur. Dans un mode de réalisation les trois points remarquables de référence déterminables à partir des trois repères optiques comprennent les centres optiques de chaque caméra et un autre point placé sur l'arme. Les centres optiques de chaque caméra sont repérés par exemple comme étant le centre de symétrie de figures dont ils sont le centre de symétrie. Dans le mode préféré de réalisation chacune des deux caméras est équipée de moyens analogiques ou numériques permettant de localiser dans l'image optique les repères optiques remarquables. De la sorte les besoins de transmissions entre le calculateur et les caméras pour la localisation de la ligne de tir de l'arme sont limités aux besoins nécessaires à la transmission de ces positions. De la sorte les liaisons entre les caméras et le calculateur peuvent être des liaisons séries filaires mais de préférence radio ou infrarouge ne nécessitant pas de forts débits. Le mode préféré de réalisation sera maintenant décrit en regard des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1, est destinée à illustrer le principe du repérage de lI'axe de l'arme dans un repère lié à la caméra du casque; - la figure 2, représente un combattant équipé d'un dispositif selon le mode préféré de réalisation de l'invention -la figure 3, représente un exemple de réalisation de repères remarquables; - la figure 4, représente une façon possible de matérialiser la ligne de tir de l'arme dans le système de visualisation; - la figure 5, représente une arme réalisée selon le mode préféré de réalisation de l'invention; - la figure 6, représente un schéma de fonctionnement des divers moyens entrant dans le dispositif selon l'invention. Dans les différentes figures les éléments ayant même fonction sont io désignés par le même numéro de référence. La figure 1 illustre le principe du repérage de l'axe C2X2 du canon de l'arme. La figure 1 est représentée dans le mode préféré de réalisation de l'invention, qui sera décrit plus loin, o deux des points remarquables repérés par les repères optiques sont constitués par les centres optique C1 C2 des caméras. C'est pourquoi sur la figure 1 le centre C1 de la caméra 3 du casque est confondu avec le repère optique remarquable de casque 7 et avec l'objectif 4 de la caméra 3. De même le centre C2 de la caméra 83 du fusil 80 est confondu avec l'un des repères optiques 87 remarquables du fusil et avec l'objectif 84 de la caméra 83. L'autre point remarquable B2 du fusil correspond à un repère optique 88. On remarquera que chaque pixel de l'image optique correspond à une direction dans l'espace. Il est donc possible de définir pour chaque caméra 3, 83 un repère par exemple orthonormé C1 X1 Y1 Z1 pour la caméra 3, C2 X2 Y2 Z2 pour la caméra 83. Pour cette dernière l'axe C2 X2 est confondu avec la droite C2 B2. Les trois points C1 C2 B2 permettent de repérer dans chacun des repères de caméra le même plan P. La position des deux trièdres de référence est donc connue par rapport au plan P, ce qui permet d'en déduire leurs orientations relatives. La distance C1 C2 entre les deux caméras 3, 83, se déduit de la distance connue B2 C2 et des angle ca des droites C1 B2 et C1 C2 et P des droites B2 C1 et B2 C2 par la formule: CI C2 B i_sin fi C1=2 C 2 =sin a Le système complet tel que porté par un tireur est représenté figure 2. Cette figure représente un combattant équipé d'une arme 80 comportant un canon 81. Cet arme 80 est équipée d'une caméra 83 comportant un objectif 84. L'objectif 84 de la caméra de l'arme 80 est tourné du côté opposé à la gueule 85 du canon 81 de l'arme, en sorte que lorsque l'arme est en position normale de tir à la hanche comme représenté figure 2 ou plus généralement en position de tir, le champs de la caméra comporte la tête du tireur. Un support 86 de la caméra servant de pièce de liaison entre l'arme et la caméra permet de hausser l'axe optique de la caméra par rapport à l'axe XX' du canon 81. Les modes de réalisation des repères optiques remarquables 87, 88 et 7 peuvent être très variés. Dans le mode de représentation de la figure 2, il s'agit d'ensembles de surfaces remarquables. Ces surfaces remarquables présentent selon deux axes des successions de petites surfaces présentant des contrastes connus. Les ensembles de surfaces, 7 pour la détermination du centre optique C1 de la caméra 3 de casque, et 87 pour la détermination du centre optique C2 de la caméra 83 du fusil sont constitués chacun par quatre surfaces 71-74; 871-874, disposées de façon symétrique autour des objectifs (4, 84) de chacune des caméra. Cette disposition est plus clairement représentée sur la figure 2 autour de l'objectif 4 de la caméra 3 de casque. Les quatre surfaces constituant chacun des repères 7, 87 sont différentes entre elles de façon à pouvoir chacune être identifiée et reconnue. Deux de ces surfaces 71 et 72 ont été représentées figure 3a et figure 3b en coupe transversale. Il s'agit de croix dont les bras horizontaux et verticaux plus ou moins larges permettent l'identification de la surface détectée. Cette identification peut être obtenue par toute sorte de figures de préférence simples dont la réflexivité diffère du fond du rectangle ou de toute autre figure formant le contour de chacune des surfaces 71 à 74 La figure 3b représente les mêmes surfaces en coupe transversale. Les qualités optiques des surfaces résultent de leur constitution dans l'épaisseur. Il s'agit de bas en haut d'une couche électroluminescente 21 assurant un rétroéclairage (pour l'utilisation de nuit) surmontée par des matériaux 22, 23 à coefficient de transmission différents. Le tireur est porteur d'un casque 1 qui sera maintenant décrit. Ce casque comporte une caméra 3 identique à la caméra 83 de l'arme. Elle comporte un objectif 4 et une matrice 9 d'éléments sensibles. Cet objectif est tourné vers l'avant dans la direction du regard du tireur. Il peut être équipé d'un filtre 5. Un support 6 disposé entre le casque 1 et la caméra 3 permet d'incliner légèrement vers le bas l'axe optique de la caméra en sorte qu'en position normale de tir les surfaces remarquables 87 et 88 de l'arme 80 sont dans le io champs de la caméra 3. Un calculateur 70 porté par le tireur reçoit des informations en provenance des caméras 3 et 83, calcule la direction de l'axe XX' de la ligne de tir et l'affiche dans un visuel 90 porté par le tireur, au moyen d'une liaison 66 qui a été représentée par un trait. Les liaisons caméra 3, 83, calculateur 70 n'ont pas été représentées figure 2. Le mode de présentation de la ligne XX' de tir dans le visuel 90 sera maintenant expliqué en liaison avec la figure 4. Dans le système objet de l'invention, I'oeil du tireur et l'axe de visée de l'arme n'ont plus besoin d'être alignés, mais de ce fait l'axe de visée ne pourrait être simplement représenté dans le champ de vision par un seul réticule que si la distance des cibles était prédéfinie pour un réticule donné (par exemple à grande distance). En général, pour une distance non prédéfinie il faut représenter l'axe de visée dans l'espace de façon analogue au repérage du rayon laser pour le premier moyen connu. Par ailleurs le rayon laser est arrêté par la cible prise en compte, tandis qu'un axe virtuel ne l'est pas, il faut donc avoir à courte distance (distance pour lesquels la parallaxe oeil/arme influe d'avantage sur la précision de la visée) une estimation de la distance à laquelle est la cible sur l'axe de visée. Une solution préconisée dans la présente invention est de représenter une suite de figurines 10, 11, 12 symétriques, dans le visuel 90 de casque, dont les centres de symétrie sont alignés sur l'axe de visée de l'arme que l'on veut représenter. Chaque figurine image est placée sur l'axe de visée à une distance représentative dans l'espace. Les figurines sont de formes identiques et représentent par exemple le cadrage dans l'espace d'une cible de dimension connue (par exemple un casque ou un torse de combattant...). L'espacement et le nombre de figurines, sur l'axe de visée, dépend du parallaxe maximal prévu, de la balistique de la munition et de l'écart tolérable entre la visée et l'impact. En plaçant la figurine de dimensions appropriées sur l'élément correspondant de la cible, par exemple le casque, le tireur estime ainsi implicitement la distance et aligne, dans le même temps, correctement l'arme. Bien entendu, d'autres moyens d'évaluation de distance peuvent être utilisés comme un télémètre laser. On peut obtenir ainsi une distance très précise mais avec les inconvénients suivants: - augmentation des coûts; - diminution de la vitesse de visée et de tir (il faut auparavant télémétrer). Généralement, par ailleurs, les armes individuelles balistiques ont des trajectoires très plates, en tous cas dans la zone o la parallaxe influerait significativement sur la visée, et le procédé par figurines a paru suffisant. Il va de soit que la courbure de la trajectoire peut être compensée suivant la portée en décalant l'axe de visée de l'arme par rapport à l'axe de tir, c'est à dire en mettant en oeuvre une fonction équivalente à une hausse. De même tout élément perturbateur de visée comme mouvement de cibles, de vent..., peut être compensé (une fois connu par senseurs appropriés) par un recalage, calculé dynamiquement, de la représentation de l'axe de visee. L'arme 80 selon la réalisation de la figure 2 sera maintenant décrite en liaison avec la figure 5. Sur la figure 5, tous les éléments déjà repérés sur la figure 2 sont présents. Il a été représenté de plus un télémètre 82 destiné à mesurer la distance entre l'arme et la cible. Des liaisons 72, 71 représentées sous forme d'émetteurs infrarouges permettent le raccordement de la caméra et du télémètre au calculateur 70. La caméra 83 qui a été utilisée est comme la caméra 3 du casque une caméra miniature SONY (marque déposée) dont le poids est inférieur à g. Elle est équipée d'une matrice de 1024x1024 pixels. Elle est équipée d'un filtre 91 sélectionnant les radiations émises par la source 7 du casque. Naturellement les caméras de casque et d'arme pourraient être différentes l'une de l'autre. Le fonctionnement du dispositif de visée sera explicité ci-après en référence à la figure 6 qui fait apparaître les liaisons fonctionnelles entre les divers éléments entrant dans la réalisation du mode préféré de l'invention, io chacune des caméras 3.83 du casque et de l'arme est reliée à un moyen de traitement d'image 75, 76 respectivement. Dans le cas de la réalisation présentée, il s'agit d'un processeur logique et numérique dédié identifiant à partir des données sur les pixels d'image de chaque caméra, les surfaces remarquables pour en extraire la position des points C2, B2 et C1 respectivement. Cette position est transmise en temps réel par des liaisons 71, 73 au calculateur 70 qui calcule la position par rapport au repère de casque de l'axe XX' de l'arme. Cet axe est alors affichée dans le visuel 90 de casque par une liaison 66. On obtient globalement un système qui ne demande que des transferts à faible débit (environ 500 bits/sec par position de repère transmis pour une caméra à 25 images/sec). Le traitement d'élaboration de position relative et de calcul d'orientation d'axe de visée est suffisamment simple pour pouvoir se faire par programmation et à rythme suffisant sur un microprocesseur non spécialisé. Le dispositif de localisation relative de deux trièdres de références par des caméras qui se regardent et observent des repères co alignés avec l'axe de chaque caméra, permet des calculs de localisation particulièrement simples et surtout particulièrement adaptés à une localisation précise pour système de visée. On peut démontrer en effet que la précision de l'angle formé par les deux axes (caméra de visée et axe de visée de l'arme) est extrait avec une précision de l'ordre de celle de l'angle mesuré sur un repère remarquable par une caméra, soit à peu près le rapport de l'angle d'ouverture de la caméra avec l'angle minimum de séparation de celle-ci. Compte tenu des technologies disponibles une précision angulaire de l'ordre du milliradian peut être obtenue, tout en gardant un angle de champ ( 1 radian) suffisant pour le fonctionnement général du système. Le faible débit nécessaire permet par exemple (sans que cela soit obligatoire) une communication sans fil à très bas prix entre l'arme et le calculateur et/ou le casque. REVENDICATIONS 1. Dispositif de localisation relative d'une ligne de tir d'une arme (80) portée par un tireur équipé d'un casque (1) par rapport à ce casque (1) le dispositif comprenant deux caméras (3, 83) une première (3) et une seconde (83) ayant chacune un objectif (4, 84) et au moins un capteur (9, 89) sensible à des radiations lumineuses, la première camera (3) étant montée sur le casque (1) et la seconde (83) sur l'arme (80) un calculateur (70) recevant des informations numérisées de chacune des caméras (3, 83) et calculant et o commandant à partir de ces informations numérisées un système de visualisation (90) pour y faire apparaître une symbologie (10, 11, 12) matérialisant en temps réel l'axe de tir de l'arme (80), dispositif caractérisé en ce que au moins trois repères optiques remarquables (7, 87, 88) dans la gamme de sensibilité du ou des capteurs sont répartis entre l'arme (80) et le casque (1) et en ce que en positions de tir les repères (7) du casque sont dans le champs de la caméra (83) de l'arme (80) et les repères (87, 88) de l'arme (80) dans le champs de la caméra (3) du casque (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les repères remarquables (7, 87, 88) sont des catadioptres passifs. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les repères remarquables (7, 87, 88) sont actifs. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les repères remarquables (7, 87, 88) sont constituées par un écran électroluminescent recouvert par une couche de matériaux transflexifs. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les repères remarquables sont constituées par des surfaces juxtaposées, deux surfaces adjacentes présentant entre elles des coefficients de réflexion de valeur différente. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que certains des repères remarquables (7, 87, 88) sont disposées autour de l'objectif (4, 84) de l'une ou l'autre caméra (3, 83). 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les objectifs (4, 84) des caméras (3, 83) sont munis de filtres de lumières (91, 5). 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arme o (80) est munie de deux repères remarquables (87, 88). 9. dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chacune des caméras (3,83) comporte un moyen de traitement d'image permettant d'extraire la position dans l'image des repères (7, 87, 88) remarquables. 10. Arme individuelle (80) comportent des éléments destinés à la visée comprenant au moins une caméra (83) muni d'un objectif (84) et de capteurs (89) sensibles à des radiations lumineuses ainsi que d'un moyen de liaison (71) permettant le raccordement à un calculateur (70), et au moins un repère optique remarquable (87, 88) caractérisée en ce que l'objectif (84) de la caméra (83) est orienté vers l'arrière de l'arme.