Brevet FR2747199A1 — publié le 19971010

La présente invention concerne un dispositif pour la localisation en temps réel, par rapport à un référentiel tridimensionnel, d'un objet mobile. Par le brevet FR-A-2 583 523, on connaît un système pour la localisation d'un objet mobile par rapport à un axe (OX), comportant un détecteur photosensible disposé à poste fixe et associé à une optique observant l'environnement dudit axe dans lequel le mobile est susceptible de se déplacer, ainsi qu'un émetteur optique lié au mobile et engendrant des éclats lumineux, remarquable en ce que: - ledit détecteur photosensible comporte d'une part, une matrice fixe l0 d'éléments photosensibles commandables, et, d'autre part, des moyens électroniques de commande des éléments photosensibles; et - en ce que des moyens de synchronisation sont prévus pour que les moyens électroniques de commande délivrent des impulsions de commande déclenchant des prises d'images synchronisées avec les éclats lumineux. Ainsi, la position du mobile par rapport à l'axe est donnée par la position du ou des éléments photosensibles de la matrice, excités par l'image des éclats lumineux. Un tel système de localisation connu présente donc l'inconvénient qu'il est nécessaire d'équiper le mobile d'un émetteur afin de pouvoir le localiser par les éléments photosensibles de la matrice et ne permet pas de connaître la coordonnée le long de l'axe OX. De plus, afin de connaître la position en Z, il est nécessaire d'effectuer un calcul de ligne à ligne ne permettant pas de travailler en temps réel. Le but de l'invention est de proposer un dispositif passif permettant de déterminer les coordonnées, en temps réel, d'un objet mobile, et qui ne présente pas les inconvénients du dispositif connu. A cet effet, un dispositif pour la localisation d'un mobile, selon l'invention, comporte au moins un système optique fixe, définissant un référentiel par son axe de prise de vue et par un plan perpendiculaire contenant un détecteur photosensible, et est caractérisé en ce que ledit détecteur photosensible comporte des capteurs photosensibles appariés disposés en ligne, chaque capteur étant relié alternativement à une sortie paire et impaire, lesdites sorties étant reliées au boîtier de gestion de capteurs de manière à traiter par soustraction d'images les signaux détecteurs reçus des capteurs photosensibles. Selon une caractéristique de l'invention, les données transmises au calculateur définissent des demi-mots d'adresse de manière à permettre au calculateur la lecture dans une table pré-calculée de résultats de la position du mobile. 2 2747199 Selon une caractéristique de l'invention, lesdits capteurs photosensibles sont du type à transfert de charge. Il est avantageux que les éléments photosensibles soient du type à transfert de charge, généralement désignés par l'abréviation CCD (Charge Coupled Devices), dont le signal de sortie échantillonné est particulièrement adapté au traitement numérique. Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits capteurs optiques ont la forme de triangles tête bêches de manière à permettre, par le rapport de l'amplitude des signaux délivrés sur les capteurs pairs/impairs, de connaître la position géométrique de l'objet par rapport au référentiel fixé sur le système l0 optique. De préférence, les capteurs photosensibles ont la forme de triangles isocèles tête bêches. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte deux optiques associées chacune à un détecteur photosensible. Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits capteurs photosensibles ont la forme de rectangles allongés adjacents. Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits capteurs optiques ont la forme de rectangles, les rectangles pairs étant alignés entre eux, les capteurs impairs étant alignés entre eux et décalés par rapport aux rectangles pairs. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, cette description étant faite en relation avec les dessins joints parmi lesquels: Fig. 1 est une vue schématique du dispositif de localisation selon l'invention, Fig. 2 est la représentation des secteurs angulaires suivant l'invention, Fig. 3 est la représentation schématique du maillage de l'espace observé par le dispositif de localisation de l'invention, Fig. 4 est la représentation schématique d'un signal vidéo après soustraction obtenu par les capteurs photosensibles, Fig. 5 est la représentation schématique du traitement du signal de détection, Fig. 6 est une vue schématique des capteurs photosensibles suivant un mode de réalisation préférentiel, et Fig. 7 est un graphique montrant la fonction linéaire des capteurs photosensibles de la Fig. 6, et Fig. 8 est une vue schématique des capteurs photosensibles suivant un autre mode de réalisation. 3 2747199 Le dispositif de localisation d'un mobile 1, conforme à l'invention, et montré à la Fig. 1, est essentiellement constitué de deux systèmes optiques 2 et 3, arrangés à un poste fixe, associés chacun à un détecteur photosensible 4 et 4', d'un boîtier de gestion de capteurs 5, d'un calculateur 6, d'un contrôleur 7 ainsi que d'un poste de décision 8. Un tel dispositif permet d'identifier et de connaître en temps réel les coordonnées d'un mobile 1, par rapport à un référentiel défini par l'axe optique de prise de vue et par un plan perpendiculaire contenant le détecteur photosensible. On notera que les deux systèmes optiques doivent être synchrones et que la lo0 distance focale de l'objectif doit être adaptée à la dimension de l'objet mobile et à la distance maximale de détection. De même le temps d'intégration de l'énergie lumineuse par les capteurs photosensibles CCD doit être adaptée à la vitesse du mobile. Selon un premier mode de réalisation, le détecteur photosensible 4 ou 4' est un circuit électronique constitué d'une fenêtre en quartz derrière laquelle sont disposés des capteurs photosensibles sous forme de rectangles très allongés. Les capteurs photosensibles sont disposés en barrette, c'est-à-dire, en ligne, chaque capteur étant relié alternativement à une sortie paire et impaire. Le détecteur 4 et 4' est placé derrière le système optique 2 et 3. Chaque système optique 2 et 3 a ainsi une représentation du paysage formé par un ensemble de secteurs angulaires (Fig. 2). Chaque secteur angulaire correspond à un de ces capteurs photosensibles. On obtient ainsi une certaine hauteur Zmax proportionnelle avec le système optique utilisé et la distance d entre le système optique et l'objet. L'ensemble des secteurs angulaires d'un système optique forme un réseau. Dans les détecteurs photosensibles utilisés, les moyens de traitements électronique sont disposés de chaque côté des capteurs photosensibles pour des raisons d'encombrement pour traiter les signaux Les capteurs photosensibles pairs sont traités d'un côté et les capteurs photosensibles impairs sont traités de l'autre côté. On a deux sorties p et i, qu'on nomme également voies de mesures: une sortie paire p et une sortie impaire i. Une électronique, bien connue par l'homme du métier, peut commuter les deux sorties sur un même fil ou sur deux fils séparés. Les deux voies de mesures sont ensuite traitées dans le boîtier de gestion 3 5 de capteurs 5 commun afin de permettre la supervision de l'ensemble du fonctionnement, le traitement en parallèle des signaux leur mises en mémoire vive ainsi que la soustraction d'images afin d'éliminer les signaux électriques provenant des parties fixes du paysage observé. 4 2747199 On notera que le boîtier de gestion de capteurs 5 comporte un soustracteur d'image pour chaque système optique. Les données du boîtier sont ensuite transmises au calculateur 6 à travers une interface 9 afin d'interpréter les signaux de détection et de calculer les coordonnées du mobile. Les coordonnées du mobile calculées sont transmises au poste de décision 8. On notera que le poste de décision 8 peut être soit un écran donnant les informations sur le mobile à un opérateur, soit une action déclenchée l0 automatiquement suivant l'approche du mobile. Le contrôleur 7 du dispositif de localisation est relié au calculateur 6 et au boîtier de gestion de capteurs 5 afin de permettre la synchronisation des systèmes optiques 2 et 3. Il est avantageux que les capteurs photosensibles soient du type a transfert de charge, généralement désignés par l'abréviation CCD, dont le signal de sortie échantillonné est particulièrement adapté au traitement numérique. Les CCD utilisés actuellement sont des barrettes de 512 photodiodes de format 12 * 2500 pm2 rangées parallèlement et espacées de 12 pm. Leur projection à travers le système optique de prise de vue définit un ensemble de 512 secteurs angulaires contigus. L'ensemble des deux systèmes optiques 2 et 3, dont les axes optiques se recoupent en un point déterminé à l'avance, forme ainsi un maillage du champs optique commun, comme représenté sur la Fig. 3. Le dispositif global donne ainsi une représentation de l'espace en cellules fermées dont les coordonnées réelles peuvent être pré calculées. Chaque cellule fermée, formée par le recoupement de l'ensemble des secteurs angulaires observés, est identifiable individuellement par le rang qu'occupent dans leur propre réseau les deux capteurs photosensibles ayant formé la cellule. L'objet est mis en évidence par son déplacement. Pour chaque cellule, les coordonnées réelles (spatiales) liées à un référentiel fixé sur le poste d'observation sont calculables d'avance et introduites dans une table de résultats. Cette table de résultats est stockée dans une mémoire du calculateur. Le fonctionnement du dispositif va maintenant être expliqué. La détection du mobile est effectuée par soustraction d'images. Les images d'un même paysage obtenues depuis deux postes d'observation distants ne sont pas identiques. De leurs différences on peut déduire la distance 2747199 des objets visibles dans le champ. C'est l'effet stéréoscopique. D'autre part, et pour une même position d'observation, si on superpose une image positive et une image négative du même paysage, tous les éléments de ces images disparaissent. On a ainsi réalisé une soustraction d'images o tout ce qui est resté constant entre les deux instants de prise de vue sera visible comme deux fois l'objet, dans sa position de départ en positif et dans sa position d'arrivée en négatif. Une image io lue à l'instant to est conservée sur une ligne à retard ou dans une mémoire digitale. A l'instant to+dt une nouvelle image i1, en principe peu o10 différente de io, est lue et soustraite point à point de io. Le signal différence obtenu contient: le bruit propre à chaque image, les variations locales de luminosité et de position, mais surtout l'empreinte de objet, c'est-à-dire la distance parcourue L, la longueur I et l'orientation de l'objet, comme représenté sur la Fig. 4. Le "paysage fixe" a disparu comme lors de la superposition d'un négatif et de son positif. Un traitement en temps réel de ce signal différence ne laisse subsister que les signatures des objets nouveaux transformées en marqueurs logiques comme représenté sur la Fig. 5. Ainsi, lorsque les capteurs photosensibles ont détecté la présence d'un objet dans une maille, des "marqueurs logiques" de chacun des systèmes optiques 2 et 3 sont transmis au calculateur à différents moments tl, t2. , on utilise le rang (valeur du compteur d'horloge) de chaque capteur photosensible détecteur du premier réseau comme demi-mot d'adresse ni de la table des coordonnées réelles. Le deuxième réseau donnera les autres demi-mots d'adresse ni'. La position spatiale de l'ensemble du mobile est alors lue sans calcul dans la table de résultats 10, ce qui permet de manière avantageuse de travailler en temps réel, donnant les correspondances cellules/coordonnées XY relatives à un point de référence du poste d'observation. Ces coordonnées sont ensuite transmises..DTD: au poste de décision. La coordonnée en Z n'est pas définie précisément, on connaît la direction, c'est-à-dire la position du mobile dans un plan vertical qui s'épaissit plus ou moins suivant l'optique utilisée. Selon un autre mode de réalisation préférentiel le dispositif de localisation est identique au mode de réalisation précédent, à la différence que les capteurs photosensibles du détecteurs ont la forme de pixels triangulaires, en particulier isocèles tels que représentés à la Fig. 6. Une telle caractéristique permet de connaître précisément la coordonnée en Z, c'est-à-dire la hauteur du mobile. De manière avantageuse, les capteurs photosensibles ont la forme de triangles 6 2747199 isocèles et sont disposés en tête-bêche, c'est-à-dire qu'on retrouve sur une ligne tous les capteurs pairs qui ont la pointe vers le bas et vont sortir sur un fil et tous les capteurs impairs qui ont les pointes vers le haut et vont sortir sur un autre fil. Une telle forme de pixel présente l'avantage d'avoir une fonction linéaire, ce qui permet de tracer la fonction linéaire des capteurs pairs et impairs comme représenté à la Fig. 7, la somme des deux signaux étant constante. De la manière précédemment décrite, I'ensemble des réseaux des deux systèmes optiques permet de connaître la distance du mobile et la hauteur maximale du secteur angulaire o se trouve l'objet. A l'instant t1, le numéro de 0o pixel du premier réseau sert de demi-mot d'adresse pour lire une mémoire, le numéro de pixel du deuxième réseau représentant l'autre demi-mot d'adresse: à cette adresse on trouve les coordonnées en X et en Y. La coordonnée en X permet de lire dans une table de résultat la correspondance de la hauteur maximale Zmax, en lecture instantanée; on obtient une réponse dans un temps de I'ordre de 20 nanosecondes après la demande. Les grandeurs X, Y et Zmax ainsi traitées sont mises en mémoire afin de réaliser dans le calculateur le calcul de la coordonnée Z par l'équation suivante: Z Zmax = A / (A+B) o A = Amplitude du signal capteur pair et, B = Amplitude du signal capteur impaire Ainsi, par exemple si l'image d'un mobile, se trouvant plutôt proche de Zmax, se trouve projetée sur ce dispositif, on aura une amplitude de signal A faible sur les capteurs pairs et une amplitude de signal B forte sur les capteurs impairs détecteurs. Et inversement si l'objet se trouve à une hauteur très basse, une amplitude de signal A forte sur les capteurs pairs et une amplitude de signal B faible sur les capteurs impairs. Lorsque le mobile se trouvera dans une position voisine du milieu de Zmax, les signaux auront la même amplitudeA = B. La table de résultats 10 a été écrite, définitivement, dans une mémoire et tient compte de la focale, des dimensions du réseau, de l'écartement entre les deux systèmes optiques 2 et 3. Avec le réseau en triangle le signal de détection oscille entre deux valeurs A etB. Selon une autre variante du détecteur, représentée à la Fig. 8, les capteurs photosensibles peuvent avoir la forme de rectangles, les rectangles pairs étant alignés entre eux, les capteurs impairs (Pi) étant alignés entre eux et décalés par 7 2747199 rapport aux rectangles pairs (Pp). Une telle forme de capteurs permet de délimiter trois zones, une zone haute, une zone basse et une zone intermédiaire. Le fonctionnement est le même que précédemment décrit, on détermine ainsi la position d'un objet dans l'une de ces trois zones. On notera que le dispositif de l'invention fonctionne aussi bien dans le visible que dans l'infrarouge. Sans sortir du cadre de l'invention, on comprendra aisément que le dispositif de localisation peut comporter un unique système optique. Dans ce type de réalisation, on utilisera alors soit des pixels rectangulaires qui permettront o10 uniquement de détecter un objet dans un secteur angulaire sans connaître les coordonnées, soit des pixels triangulaires qui permettront de détecter l'objet dans un secteur angulaire ainsi que sa coordonnée en Z. Ce type de réalisation peut être avantageuse, par exemple, pour localiser l'objet sur une bande transporteuse. 8 2747199 REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour la localisation d'un objet mobile comportant au moins un système optique, définissant un référentiel par son axe de prise de vue et par un plan perpendiculaire contenant un détecteur photosensible (4, 4') caractérisé en ce que ledit détecteur photosensible (4, 4') comporte des capteurs photosensibles appariés disposés en ligne, chaque capteur étant relié alternativement à une sortie paire et impaire, lesdites sorties étant reliées à un boîtier de gestion de capteurs (5) de manière à traiter par soustraction d'images les signaux détecteurs reçus des capteurs photosensibles. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les données traitées par le boîtier de gestion de capteurs (5) sont transmises à un calculateur (6) et définissent des demi-mots d'adresse de manière à permettre au calculateur (6) la lecture dans une table de résultats (10) pré calculée de la position de l'objet (1). 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits capteurs optiques sont du type à transfert de charge. 4.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux optiques associées chacun à un détecteurs photosensibles. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits capteurs photosensibles ont la forme de triangles tête bêches de manière à permettre par le rapport de l'amplitude des signaux délivrés sur les capteurs pairs/impairs de connaître la position géométrique de l'objet par rapport à un référentiel fixé sur ledit système optique. 6.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits capteurs optiques ont la forme de triangles isocèles disposés tête bêches. 7.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits capteurs photosensibles ont la forme de rectangles allongés. 8.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits capteurs optiques ont la forme de rectangles, les rectangles pairs (Pp) étant alignés 9 2747199 entre eux, les capteurs impairs (Pi) étant alignés entre eux et décalés par rapport aux rectangles pairs. 9.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le calculateur (6) est relié à un poste de décision (8).