Brevet FR2723207A1 — publié le 19960202

SYSTEME DETERMINANT L'ORIENTATION ET LA LOCALISATION D'UN CORPS MOBILE PAR RAPPORT A UNE STRUCTURE, UTILISABLE NOTAMMENT POUR UN VISEUR DE CASQUE La présente invention concerne un système déterminant l'orientation et la localisation d'un corps mobile par rapport à une structure en procédant au repérage de directions liées à ce corps. Son utilisation est plus particulièrement envisagée dans le domaine aéronautique où le corps mobile est constitué par le casque du pilote équipé d'un viseur et la structure constituée par le cockpit. Les systèmes de ce genre sont réalisés de diverses façons qui se répartissent suivant deux grandes catégories, les solutions opti ques et les solutions magnétiques. L'objet de l'invention se rapporte à une solution de type optique. Une telle solution peut être constituée avec un groupement de diodes électroluminescentes mon tées sur le casque, un ou plusieurs capteurs montés sur le cockpit et un calculateur annexe qui traite les signaux détectés pour mesurer la direction de référence liée au casque. Une alimentation succes sive séquentielle des diodes est produite à partir du calculateur. Les capteurs sont montés fixes dans l'avion et le calculateur peut donner à tout moment la position spatiale d'une direction définie liée au casque, cette direction de référence étant de préférence choisie correspondant à la direction de visée du pilote. Une solution de ce genre est décrite notamment dans le brevet français 2 399 033. Le capteur est constitué au moyen d'un dispositif détecteur formé de préférence de trois sous-ensembles comportant chacun un réseau linéaire d'éléments photosensibles couplé à un dioptre cylindrique de direction perpendiculaire pour déterminer trois plans passant par la source luminescente émettrice et produire, par un calcul annexe, la localisation spatiale correspondante de cette source, puis celle du triangle formée par un ensemble de trois sources et consécutive ment, déterminer la direction à repérer. Un inconvénient important présenté par ces dispositifs réside dans le fait que le rendement optique est très faible, étant donné que la fente associée au dioptre cylindrique a environ 150 microns de large et que l'énergie lumineuse transmise par la source électroluminescente à travers cette optique et cette fente et parvenant à un élément ou quelques éléments de la barrette détectrice reste très limitée. Suivant une autre solution connue décrite dans le brevet français 2 433 760, le casque renvoie un rayonnement par rétro réflexion et ce rayonnement aboutit sur une matrice d'éléments en X,Y commandée électriquement par une circuit de commande et par un circuit de calcul pour faire passer les éléments de l'état opaque à l'état transparent selon un programme de sélection prédéterminé. Un photodétecteur unique en aval de la matrice alimente le circuit de calcul qui fournit l'écartométrie angulaire du dispositif rétroréflecteur. Plusieurs rétroréflecteurs sont prévus pour jouer le rôle des diodes et déterminer ainsi une direction liée au casque. Suivant cette solution la matrice à commande électrique peut être réalisée en cristaux liquides de type nématique ou par un dispositif obturateur optoélectrique à base de céramiques PLZT. Une telle solution s'avère complexe, sa mise en place délicate et son exploitation requiert une certaine durée pour explorer la matrice élément par élément. Le but de l'invention est de réaliser un système de repérage spatial de direction qui permet de remédier aux inconvénients des solutions précitées en utilisant des structures détectrices matricielles en circuit solide. Suivant l'invention il est proposé un système déterminant l'orientation et la localisation d'un corps mobile par rapport à une structure, à l'aide de moyens d'émission portés par le corps et de moyens de détection optoélectriques portés par la structure pour définir par analyse des signaux détectés et par le calcul des plans sécants et par les droites d'intersection de ces plans au moins une direction liée à ce corps, les moyens d'émission étant constitués par une pluralité d'au moins trois sources lumineuses ponctuelles à diagramme de rayonnement omnidirectionnel, le système étant caractérisé en ce que les moyens de détection optoélectriques sont des capteurs à matrice solide en circuit à transfert de charges dit DTC, les matrices étant au nombre d'au moins deux chacune couplée à une optique réceptrice, l'ensemble permettant par analyse de l'image détectée de déterminer les coordonnées du point image de chacune des sources et consécutivement, la droite passant par ce point et le centre de l'objectif récepteur associé laquelle passant également par la source émettrice correspondante, en sorte que chaque source est déterminée par au moins deux droites sécantes, la localisation spatiale des sources déterminant l'orientation du corps mobile, sa localisation et le répérage spatial de directions liées à ce corps. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent: - Fig.l, un schéma général d'un système conforme à l'invention - Fig.2, un schéma qui illustre la méthode de repérage spatial utilisée - Fig.3, un schéma illustrant le repérage de plusieurs directions du corps et sa localisation par rapport à la structure - Fig.4, un schéma de détail qui met en valeur la précision de la mesure. En se reportant à la figure I, le système est considéré de manière non limitative dans le cadre d'une application à un viseur de casque. Le cockpit 1 de l'avion est équipé de deux caméras miniatures à détecteur matriciel solide. Ces caméras 2 et 3 groupent chacune le capteur optoélectrique proprement dit 4 et 5 en circuit DTC (CCD de "Charge Coupled Device" en terminologie anglosaxonne), un objectif optique récepteur 6 et 7 et un moyen de filtrage optique éventuel, par exemple un filtre interférentiel 8 et 9. A l'arrière de chaque capteur se trouvent généralement associés des circuits 10 et 11 de lecture, de préamplification et éventuellement des circuits de traitement des signaux vidéo détectés. Les moyens de détection optoélectriques définis par ces deux caméras permettent de recevoir et traiter un rayonnement déterminé dans un champ également déterminé. L'intersection de ces champs représente un volume spatial dans lequel peut évoluer le corps mobile à repérer. Dans cette application à un viseur de casque, le corps mobile est constitué par le casque 20 du pilote lequel supporte un jeu d'au moins trois diodes électroluminescentes 21, 22 et 23. Ces diodes sont disposées au sommet d'un triangle, de préférence quelconque. Un côté de ce triangle peut représenter la direction DR à repérer laquelle correspond avantageusement à la direction de visée du pilote. La technique utilisée selon la présente invention permet de repérer un point dans l'espace de manière comparable au repérage effectué par les yeux. Dans les techniques antérieures les barrettes utilisées n'étaient pas capables de simuler spatialement une rétine. On trouve actuellement sur le marché de l'optronique des matrices à transfert de charges qui peuvent être comparées à une rétine. La surface photosensible est formée d'éléments distribués matriciellement en X et en Y. Ces capteurs matriciels sont utilisés principa- le ment dans les caméras vidéo. En projetant une image à travers l'objectif sur la surface photosensible, après un temps d'intégration il est possible de lire chaque pixel photosensible et produire une image vidéo. Dans le système envisagé on simule un ensemble de détection de deux yeux à l'aide de deux matrices solides en circuit DTE. La détermination spatiale d'un point émetteur est obtenue aisément à partir du point image et compte tenu que ce point image est aligné avec la source émettrice et le centre de l'objectif associé selon une droite ; les coordonnées du point image étant connues dans la matrice et la position de la matrice par rapport au trièdre de référence représentant la structure étant connu, on en déduit aisément par le calcul deux droites qui se coupent en un point correspondant à la localisation du point source émetteur. Cette technique de mesure apparaît de manière plus détaillée sur la figure 2 où, à titre de commodité et de simplification de l'exposé et des calculs, on considère que les deux matrices sont coplanaires, contenues par exemple dans le plan OZY du trièdre XYZ lié à la structure 1. La distance D entre les centres C1 et C2 est celle d'espacement entre les capteurs et constitue un premier paramètre connu. On considère que les caméras sont identiques et la distance C1 01, et C2 02 de ces deux centres au centre des objectifs 01 et 02 est la même et égale à la focale f de l'objectif. Une source poctuelle S1 a été considérée, son rayonnement lumineux est focalisé respectivement au point image El sur la matrice 4 et au point image E2 sur la matrice 5. Par lecture ligne par ligne et point par point de ces capteurs on en déduit la position respective des points image par rapport au centre correspondant, c'est-à-dire les coordonnées du point El par rapport à C1 et celles du point E2 par rapport à C2. Les coordonnées des centres C1 et C2 étant connues par rapport aux axes Y et Z, on en déduit aisément les coordonnées des points El et E2 par rapport à ces axes et la distance El E2 séparant ces deux points. La droite El S1 passe obligatoirement par le centre 01 de l'objectif 6. I1 en est de même pour la droite E2 S1 qui passe par le centre 02 de l'objectif 7. En conséquence, on peut déterminer par le calcul, puisque les positions de 01 et 02 sont connues les équations des droites El Ol et E2 02 et le point commun S1 d'intersection de ces droites dans le référentiel XYZ. En conséquence, on a localisé par ses coordonnées la source S1 par rapport au référentiel XYZ qui représente la structure. La source S1 étant l'une des sources du groupement 21,22,23 (Fig.l), on procède par un calcul similaire à l'aide des points images correspondant à la localisation des autres points sources. Comme l'illustre la figure 3 on connaît donc les trois directions D1,D2 et D3 passant par les côtés du triangle formé par les sources 21,22,23 dont les coordonnées sont connues par rapport à XYZ. On peut se contenter de déterminer l'une de ces directions, par exemple celle D1 qui correspond à la direction DR à repérer. Cependant, si l'on détermine les trois directions D1,D2 et D3, compte tenu que les dimensions L1,L2,L3 des côtés du triangle des sources sont connues par construction,on on peut en déduire à chaque instant par le calcul la localisation et l'orientation du corps mobile 20 porteur des sources, vis-à-vis de la structure. L'utilisation d'une optique présente un gros avantage par rapport aux dispositifs antérieurs à fentes et barrettes compte tenu de la concentration d'énergie lumineuse de focalisation dans le plan focal où se trouve la matrice. La figure 4 montre une tache lumineuse formée dans le plan de la matrice correspondant au point image, El par exemple, et qui couvre en général plusieurs éléments photosensibles dits pixels. On peut donc accroître la précision du dispositif en déterminant le centre de la tache au cours du traitement des signaux détectés. Il existe deux méthodes principales. Selon une première méthode, on détecte chaque cellule élémentaire éclairée sur la matrice et l'on effectue la moyenne arithmétique ce qui donne une valeur approximative du centre de la tache. L'approximation est directement liée au pas des cellules élémentaires de la matrice. Selon une deuxième méthode, on détecte chacune des cellules éclairées en enregistrant pour chacune d'elles le niveau d'intensité d'éclairement reçu ; ceci donne une précision bien supérieure puisque le calcul détermine cette fois le barycentre de la tâche lumineuse. D'autres méthodes peuvent également être envisagées pour minimiser l'erreur de lecture inhérent au pas des pixels. L'une d'elles consiste à multiplier le nombre de points sources lumineux cohérents spatiale ment entre eux de manière à accroître la précision après un calcul d'extrapolation. Pour localiser le corps 20, les sources lumineuses, au moins trois sont disposées au sommet d'un triangle de préférence quelconque et peuvent être alimentées simultanément en continu, une image lumineuse formée par les trois points correspondants étant produits sur le plan de la matrice 4 et 5. De manière à repérer sans ambigulté les deux points 21 et 22 correspondant à la direction DR à repérer (Fig.l), un calculateur annexe pourra, de manière périodique, commander l'extinction de la troisième source lumineuse 23 pendant une durée supérieure à celle d'intégration du capteur en sorte qu'il ne reste que deux points lumineux à détecter pendant cette intervalle. Les caméras 2 et 3 peuvent être des caméras miniatures munies de filtres infrarouge 8 et 9 pour filtrer le rayonnement et des diodes électroluminescentes 21 à 23 émettrices dans l'infrarouge, de manière à ne pas perturber le pilote par des sources locales émettrices dans le visible. On notera que le repérage spatial absolu peut être obtenu à bord d'un avion en utilisant les données fournies par une centrale de verticale de manière à transposer, selon des techniques connues, au trièdre sol les coordonnées de la direction DR mesurées par rapport au trièdre avion que représente la structure 1. REVENDICATIONS 1. Système de déterminant l'orientation et la localisation d'un corps mobile par rapport à une structure, à l'aide de moyens d'émission portés par le corps et de moyens de détection optoélectriques portés par la structure pour définir, par analyse des signaux détectés et par le calcul, des plans sécants et par les droites d'intersection de ces plans au moins une direction liée à ce corps, les moyens d'émission étant constitués par une pluralité d'au moins trois sources lumineuses ponctuelles à diagramme de rayonnement omnidirectionnel, le système étant caractérisé en ce que les moyens de détection optoélectriques sont des capteurs à matrice solide (4-5) en circuit à transfert de charges dit DTC, les matrices étant au nombre d'au moins deux chacune couplée à une optique réceptrice (6-7), l'ensemble permettant par analyse de l'image détectée de déterminer les coordonnées du point image (E1,E2) de chacune des sources (S1) et consécutivement, la droite passant par ce point et le centre (01,02) de l'objectif récepteur associé laquelle passant également par la source émettrice (S1) correspondante, en sorte que chaque source (21,22,23) est déterminée par au moins deux droites sécantes, la localisation spatiale des sources déterminant l'orientation du corps mobile (20) et le répérage spatial de directions (DR,D1,D2,D3) liées à ce corps. 2. Système selon la revendication 1, caractérisée en ce que les capteurs sont constitués par deux caméras (2,3) à matrice DTC. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les caméras (2,3) sont des caméras miniatures. 4. Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les caméras sont équipées de moyens de filtrage optique (8,9) dans une bande de longueur d'onde correspondant au rayonnement émis par les sources (21,22,23). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit rayonnement se situe dans l'infrarouge. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sources lumineuses (21,22,23) sont alimentées simultanément et de manière continue. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, utilisé pour un viseur de casque à bord d'un avion, caractérisé en ce que les capteurs (2,3) sont montés sur la structure avion (1) et les sources (21,22,23) disposées au sommet d'un triangle sur le casque (20).