Brevet FR2732118A1 — publié le 19960927

La présente invention concerne un capteur à ultrasons pour un système de détection et/ou de reconnaissance d'objets dans l'air, notamment pour un système de guidage d'un robot mobile, et des procédés de détection utilisant un tel capteur. Il est connu, par exemple en échographie, d'utiliser des ultrasons dans des milieux liquides pour "voir" des objets. A cet effet, on utilise des capteurs constitués par des matrices de transducteurs. Gràce à un déphasage approprié entre les différents transducteurs de la matrice, on génère par interférences une onde acoustique directionnelle dont l'echo renseigne sur un éventuel obstacle rencontré par cette onde dans sa direction de tir. En effectuant un balayage point par point d'un champ d'observation à analyser, on peut ainsi reconstituer une image et la reproduire sur un écran. On comprend que le balayage point par point d'une surface nécessite un nombre considérable de tirs. Les milieux liquides se prêtent particulièrement bien à la mise en oeuvre de cette technique, du fait que les ondes ultrasonores s'y propagent facilement et rapidement. En revanche, dans l'air, cette technique de balayage ne pourrait pas être mise en oeuvre dans des conditions satisfaisantes, en raison de la faible vitesse de déplacement du son qui imposerait des durées de balayage trop longues. Or, de telles durées seraient prohibitives notamment pour des applications de robotique. Il s'ensuit que les capteurs constitués de matrices de transducteurs connus jusqu'à ce jour ne permettent pas de reconnaître efficacement des objets dans l'air. La présente invention vise à fournir un nouveau capteur qui résout notamment les problèmes rappelés ci-dessus. La présente invention a pour objet un capteur à ultrasons pour système de détection et/ou de reconnaissance d'objets dans l'air, notamment pour un système de guidage d'un robot mobile, comportant une pluralité de transducteurs prévus pour fonctionner à une même fréquence donnée, agencés aux noeuds d'un réseau régulier, caractérisé par le fait que les transducteurs sont circulaires, et que la distance qui sépare les centres de deux transducteurs adjacents du réseau est au plus de l'ordre de la longueur d'onde dans l'air des ondes émises par les transducteurs. -2 -2732118 Le capteur selon l'invention est approprié, de par sa structure, pour fournir une onde ultrasonore d'une directivité variable. En effet, la directivité du tir est obtenue par interférences, par superposition d'ondes émises simultanément par un nombre variable de transducteurs, étant entendu que le nombre et la position des transducteurs excités déterminent la directivité de l'onde résultante émise. En outre, la direction du tir peut être ajustée, à la manière connue, en créant un déphasage entre les transducteurs du capteur. Conformément à l'invention, le réseau peut être plan, sphérique, ou agencé sur une nappe de toute autre forme. S'agissant d'un réseau plan, un avantage résultant d'un tel capteur réside dans le fait qu'il est facile et économique à fabriquer. Un capteur agencé sur une calotte sphérique pourrait présenter l'avantage d'être plus adapté à une émission d'ondes acoustiques directionnelles. D'une marrière générale, le choix d'une forme particulière de nappe sur laquelle sont agencés les transducteurs du capteur selon l'invention peut être fait, en fonction du type d'onde acoustique que l'on désire générer à partir du capteur. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le réseau régulier aux noeuds duquel sont placés les transducteurs est un réseau à maille carrée. Dans un autre mode de réalisation, le réseau est un réseau à maille triangulaire. Le capteur selon l'invention peut couvrir un champ d'observation avec un nombre de transducteurs assez faible. En effet, on sait que pour accroître la directivité d'un capteur, on peut lui ajouter des transducteurs, de manière à augmenter les dimensions globales de sa matrice. La directivité du capteur est alors équivalente à celle d'un transducteur de diamètre égal à la grande dimension de la matrice. Or, conformément à l'invention, les dimensions de la matrice du capteur peuvent être augmentées moyennant l'ajout d'un nombre limité de transducteurs. En effet, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le capteur est constitué par une pluralité d'alignements de transducteurs, alignements dont les axes se croisent au centre d'un transducteur central commun. Dans ce mode de réalisation, les transducteurs peuvent être disposés en croix dans le cas d'un réseau à maille carrée, ou suivant une 3- - 2732118 étoile à six branches dans le cas d'un réseau à maille triangulaire, les noeuds du réseau situés en dehors des branches ne comportant pas de transducteur. La grande dimension de la matrice, déterminante pour fixer la directivité du capteur, est alors égale à la longueur des alignements. Il en résulte que la directivité du capteur est équivalente à celle d'un capteur d'aussi grand diamètre mais qui comporterait un transducteur à chaque noeud de sa matrice. De plus, en utilisant un nombre plus réduit de capteurs, tout en les disposant, selon ce mode de réalisation de l'invention, sur des axes sécants d'un réseau régulier, notamment à maille triangulaire, on réduit l'énergie d'ondes secondaires émises dans des directions différentes de la direction de tir, à l'intérieur de volumes de propagation appelés lobes secondaires. Conformément à l'invention, les transducteurs composant le capteur peuvent être du type apte à la fois à émettre et à recevoir une onde acoustique. La présente invention a également pour objet un procédé de détection et/ou de reconnaissance d'objets dans l'air, notamment pour le guidage d'un robot mobile, à l'aide d'un capteur tel que décrit cidessus. Ce procédé est caractérisé par le fait que l'on détermine a priori la forme d'un objet à reconnaître, que l'on émet à partir du capteur une onde ultrasonore qui se propage à l'intérieur d'un volume présentant des caractéristiques géométriques communes avec ladite forme déterminée a priori, que l'on recueille l'écho de l'onde ultrasonore émise, et que l'on analyse l'énergie de cet écho pour déterminer si les caractéristiques géométriques déterminées a priori ont été rencontrées dans l'objet à reconnaître. Ce procédé présente l'avantage de fournir une information de niveau élevé à chaque émission d'une onde ultrasonore, ce qui est avantageux compte tenu de la faible vitesse de déplacement du son dans l'air. En d'autres termes, si l'utilisation d'ondes ultrasonores pour balayer point par point un champ d'observation à analyser n'est pas raisonnablement envisageable dans l'air pour les raisons exposées cidessus, le procédé selon l'invention permet néanmoins d'obtenir rapidement des informations sur un objet à reconnaître, en minimisant le nombre de tirs à effectuer. En particulier, pour la navigation d'un robot mobile dans un établissement, on sait a priori que le robot devra reconnaître des murs, des _ 4 _ 2732118 portes, des angles et quelques obstacles particuliers. Pour permettre au robot de reconnaître ces objets, on l'équipe d'un capteur tel que défini ci-dessus et l'on programme un dispositif électronique de commande du capteur de manière à ce que ce dernier émette des ondes qui se propagent à l'intérieur de volumes spécifiques qui coincident avec des formes particulières des objets à reconnaître. Par exemple, pour reconnaître une porte ouverte, le capteur émet des ondes qui se propagent sensiblement dans un plan vertical et balaye le champ d'observations dans une direction horizontale. Tant que l'onde ultrasonore rebondit sur le mur, l'énergie de l'écho est importante. En revanche, dès que l'onde rentre dans l'encadrement de la porte ouverte, l'énergie de l'écho chute brutalement. Ainsi, dans son processus de reconnaissance d'objets, chaque fois que le robot constate une chute brutale de l'énergie de l'écho lors d'un balayage horizontal d'une onde émise dans un volume mince sensiblement vertical, il en déduit la possible présence d'une porte dans son champ d'observations. Cette hypothèse peut alors être confirmée par l'émission d'autres ondes ultrasonores. Conformément à l'invention, pour émettre une onde ultrasonore qui se propage à l'intérieur d'un volume mince enveloppant un plan de tir, on excite un nombre déterminé de transducteurs contigus d'un même alignement de transducteurs du capteur, l'axe de cet alignement s'étendant sensiblement perpendiculairement audit plan de tir. De même, pour émettre une onde ultrasonore se propageant à l'intérieur d'un volume de révolution centré autour d'un axe de tir, on excite tous les transducteurs situés à l'intérieur d'un disque, de rayon déterminé, centré sur le transducteur central du capteur. Grâce à la bonne directivité du capteur, on peut obtenir une information pertinente sur le ou les obstacles qui se trouvent à l'intérieur du volume de propagation de l'onde ultrasonore. Conformément à l'invention, pour recueillir l'écho de l'onde ultrasonore, on peut utiliser les transducteurs du capteur qui a émis cette onde ultrasonore. En particulier, dans le cas d'un capteur dont les transducteurs sont alignés suivant des axes sécants au centre d'un transducteur central commun, on peut utiliser les transducteurs situés aux extrémités des branches du capteur pour recevoir l'écho de l'onde ultrasonore. - 5 -2732118 En choisissant convenablement ceux des transducteurs du capteur qui permettent de recueillir l'écho, on peut ainsi effectuer une mesure directionnelle de l'onde reçue, notamment en mesurant le déphasage entre ces transducteurs. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant des modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 représente schématiquement, vu de face, un capteur selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente schématiquement, vu de face, un capteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente schématiquement, vu de face, un capteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3, représentant le capteur en cours d'émission, - la figure 5 est une vue en coupe selon V-V de la figure 4, représentant la directivité angulaire des ondes ultrasonores émises par le capteur, - la figure 6 est une vue en coupe selon VI-VI de la figure 4, représentant la directivité angulaire des ondes ultrasonores émises par le capteur, - la figure 7 est une vue analogue à la figure 3, représentant le capteur en cours d'émission, - la figure 8 est une vue en coupe selon VIII-VIII de la figure 7, représentant la directivité angulaire des ondes ultrasonores émises par le capteur, - la figure 9 est une vue analogue à la figure 3, représentant le capteur en cours d'émission, - la figure 10 est une vue en coupe selon X-X de la figure 9, représentant la directivité angulaire des ondes ultrasonores émises par le capteur, - la figure 11 représente schématiquement, vu de face, un capteur selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. Comme on le voit sur le dessin, dans le capteur de la figure 2, les transducteurs sont situés aux noeuds d'un réseau plan à maille triangulaire. Comme représenté sur la figure 1, la distance qui sépare les centres de deux transducteurs contigus 1 est au plus égale à environ la longueur d'onde dans l'air de l'onde ultrasonore émise. - 6 - 2732118 Dans le mode de réalisation décrit, les transducteurs sont prévus pour fonctionner & une fréquence d'environ 40 KHz, ce qui correspond à une longueur d'onde dans l'air d'environ 8,5 mm. Du fait qu'ils présentent chacun un diamètre d voisin de cette dimension, les transducteurs sont jointifs. Le capteur de la figure 1 présente une directivité correspondant à un angle d'ouverture d'environ 20 en moyenne, du fait que son diamètre global D1 est environ égal à trois fois celui d'un transducteur. Le capteur de la figure 2 présente une directivité accrue, soit un angle d'ouverture moyen d'environ 8 , du fait que son diamètre global D2 est d'environ 7 cm. Sur la figure 3, on a représenté un capteur dont la directivité est sensiblement la même que celui de la figure 2, du fait que son diamètre global D3 est égal à celui D2 du capteur de la figure 2, mais qui présente l'avantage de comporter un nombre beaucoup plus réduit de transducteurs. En effet, le capteur de la figure 2 comporte 37 transducteurs, tandis que celui de la figure 3 n'en comporte que 19. Dans ce capteur, les transducteurs sont alignés sur trois axes X!, X2, X3 formant deux à deux un angle de 60" et sécants au centre d'un transducteur la central du capteur. Cette réduction du nombre de transducteurs est possible grâce à la disposition selon un réseau à maille triangulaire des transducteurs. Cette disposition confère en outre au capteur une capacité à émettre des ondes acoustiques avec des lobes secondaires faibles, par rapport à ceux que l'on obtiendrait avec un réseau à maille carrée. En utilisation, le transducteur de la figure 3 peut être alimenté de manière à émettre une onde ultrasonore à partir de trois transducteurs contigus situés sur un même axe X1, repérés par des hachures sur la figure 4. Dans un tel cas, une onde ultrasonore se propageant à l'intérieur d'un volume mince est émise, comme visible sur les figures 5 et 6 qui représentent l'énergie acoustique des ondes émises en fonction de l'angle d'émission. Dans le plan VI, la directivité est sensiblement égale à la directivité d'un seul transducteur, ce qui se traduit par une enveloppe étendue de l'énergie de l'onde ultrasonore en fonction de l'angle d'émission, l'angle d'ouverture moyen de l'onde étant environ égal à 100'. En revanche, dans le plan V, les interférences entre les ondes ultrasonores émises par le trois transducteurs se traduisent par une onde - 7 - résultante dont la directivité est plus fine. Comme on peut le voir sur la figure 5, l'onde résultante comporte un lobe principal et des lobes secondaires de moindre étendue, ce qui donne un angle d'ouverture moyen d'environ 20'. En faisant varier les déphasages entre les trois transducteurs excités du capteur, on peut modifier l'orientation du plan 6 de manière à balayer un champ d'observation selon l'axe X1, comme indiqué sur la double flèche en fiigure 5. Si l'on augmente le nombre de transducteurs excités, comme on le voit sur la figure 7, l'onde résultante présente, dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'alignement des transducteurs concernés, une directivité inchangée sensiblement identique à celle représentée en figure 6. Par contre, l'enveloppe de l'énergie des ondes ultrasonores est amincie dans le plan 8, comme représenté sur la figure 8, o l'on voit que l'angle d'ouverture moyen est d'environ 8'. Si l'on excite les transducteurs situés à l'intérieur d'un disque centré sur le transducteur central la, comme représenté sur la figure 9, on obtient par interférence, une onde résultante qui se propage à l'intérieur d'un volume de révolution représenté en coupe axiale sur la figure 10. L'angle d'ouverture moyen de l'onde est de 20'. Par un déphasage approprié entre les différents transducteurs, on peut ajuster la directivité de cette onde, c'est-à-dire l'axe du volume de révolution à l'intérieur duquel l'onde ultrasonore se propage. D'une manière générale, il ressort des essais réalisés par les inventeurs que l'on obtient de bons résultats si l'on utilise des transducteurs de petit diamètre, ce qui permet d'élargir le champ d'interférence et de faire varier de façon précise la direction du tir pour faciliter les balayages angulaires du champ d'observation, le capteur présentant néanmoins un diamètre global élevé. Cet agencement est obtenu notamment par la disposition en étoile représentée sur la figure 3. Pour recevoir l'écho de l'onde émise par le capteur, on peut utiliser les transducteurs situés aux extrémités des alignements de capteurs. De cette manière, compte tenu du délai qui sépare la réception de l'écho par différents capteurs, on peut facilement déterminer l'angle de l'écho et ainsi localiser un objet. Sur la figure 4, on a représenté un capteur selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, dont les transducteurs 1 sont répartis aux noeuds d'un réseau à maille carrée, tout en étant alignés sur des -8- axes X1 et X2 perpendiculaires, sécants au centre d'un transducteur central commun la. Un tel capteur est particulièrement adapté à l'émission d'ondes ultrasonores se propageant à l'intérieur de volumes minces enveloppant des plans de tir verticaux et horizontaux. Il est bien entendu que les modes de réalisation qui viennent d'être décrits ne présentent aucun caractère limitatif et qu'ils pourront recevoir toute modification désirable sans sortir pour cela du cadre de l'invention. _ -g _2732118 REVENDICATIONS 1. Capteur à ultrasons pour système de détection et/ou de reconnaissance d'objets dans l'air, notamment pour un système de guidage d'un robot mobile, comportant une pluralité de transducteurs prévus pour fonctionner à une même fréquence donnée, agencé aux noeuds d'un réseau régulier, caractérisé par le fait que les transducteurs (1) sont circulaires et que la distance qui sépare les centres de deux transducteurs adjacents du réseau est au plus de l'ordre de la longueur d'onde dans l'air des ondes émises par les transducteurs. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le réseau est plan. 3. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le réseau régulier aux noeuds duquel sont places les transducteurs (1) est un réseau à maille triangulaire. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le réseau régulier aux noeuds duquel sont placés les transducteurs (1) est un réseau à maille carrée. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il est constitué par une pluralité d'alignements de transducteurs (1), alignement dont les axes (Xl, X2, X3) se croisent au centre d'un transducteur central commun (la). 6. Procédé de détection et/ou de reconnaissance d'objets dans l'air, notamment pour le guidage d'un robot mobile, à l'aide d'un capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'on détermine a priori la forme d'un objet à reconnaître, que l'on émet à partir du capteur une onde ultrasonore qui se propage à l'intérieur d'un volume présentant des caractéristiques géométriques communes avec ladite forme déterminée a priori, que l'on recueille l'écho de l'onde ultrasonore émise, et que l'on analyse l'énergie de cet écho pour déterminer si les caractéristiques géométriques déterminées a priori ont été rencontrées dans l'objet à reconnaître. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'ayant déterminé a priori la forme de l'objet à reconnaître, on émet ladite onde ultrasonore en balayant le champ d'observation du capteur. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendication 6 et 7, caractérisé par le fait que, pour émettre une onde ultrasonore qui se propage à l'intérieur d'un volume mince enveloppant un plan de tir, on excite un nombre déterminé de transducteurs contigus d'un même alignement de - 10 - transducteurs du capteur, l'axe (X1) de cet alignement s'étendant sensiblement perpendiculairement audit plan de tir. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé par le fait que pour émettre une onde ultrasonore se propageant suivant un volume de révolution centré autour d'un axe de tir, on excite tous les transducteurs situés à l'intérieur d'un disque, de rayon déterminé, centré sur le transducteur central (la) du capteur. _ Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé par le fait que, pour recueillir l'écho de l'onde ultrasonore émise, on utilise des transducteurs du capteur. 11. Procédé selon la revendication 10, utilisant un capteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'on utilise les transducteurs situés aux extrémités des alignements de transducteurs pour recueillir l'écho de l'onde ultrasonore émise.