Brevet FR2738628A1 — publié le 19970314

I DISPOSITIF OPTIQUE DE DETERMINATION DE L'ORIENTATION D'UN SOLIDE La présente invention concerne un dispositif de détermination de l'orientation d'un solide quelconque dans un espace donné. De nombreux systèmes nécessitent de connaître et de suivre l'évolution, en quasi temps réel, des paramètres d'orientation d'un solide dans un référentiel donné. C'est notamment le cas des systèmes visejJrs montés sur le casque même des pilotes d'avions ou d'hélicoptères, et permettant aux pilotes de voir l'image d'un réticule projeté à l'infini en superposition avec les scènes extérieures. Les images présentées au pilote doivent impérativement rester en correspondance avec le référentiel du porteur (avion, hélicoptère...) quels que soient les mouvements du casque par rapport à ce dernier, de façon à désigner, par exemple une cible visée à un système d'arme. Il est connu d'utiliser un détecteur électromagnétique de position et d'orientation, comportant d'une part, un émetteur fixe dans le référentiel donné, composé de trois bobines excitées alternativement par un générateur, et d'autre part, un capteur fixé au solide et composé également de trois bobines, de telle sorte qu'à chaque position du solide correspondent neuf signaux induits par les bobines de l'émetteur, ces neuf signaux permettant le calcul de la position et de l'orientation du solide. Cependant, les champs électromagnétiques créés ou induits peuvent être notablement perturbés du fait de tous les éléments métalliques de l'environnement, et un tel détecteur nécessite soit de disposer de moyens annexes pour fournir un signal de référence en vue d'effectuer une correction (brevet français n' 2 655 415), soit de réaliser, dans une phase préalable, une modélisation prenant en compte les perturbations. Il existe également des systèmes électrooptiques consistant à disposer sur le solide un certain nombre de marques, ponctuelles ou surfaciques, émissives ou non, et dont la position dans un repère Rm lié au solide est bien connu, puis de repérer, par des capteurs optiques fixes dans le repères Rf de l'espace de mesure, la position d'un certain nombre de droites ou courbes reliant au moins deux marques distinctes du solide. On peut montrer que l'erreur de mesure des paramètres d'orientation du solide est d'une part, proportionnelle à l'incertitude des mesures de position des! marques dans le repère Rf et d'autre part inversement proportionnelle à la distance séparant les marques. De tels systèmes sont donc plutôt adaptés à des solides de grande taille pour lesquels les marques peuvent être très espacées, mais les mesures nécessitent toujours de calculer la position d'au moins deux points du solide. Pour s'affranchir de la détermination de position qui n'est pas nécessaire pour déterminer l'orientation, une solution a été proposée dans la demande de brevet publiée 2 683 036 par la demanderesse. Il s'agit d'utiliser des sources de rayonnement collimatées sur le mobile et des capteurs de direction, dans un repère fixe. De la sorte, la direction du rayonnement détecté par un capteur de direction est indépendante de la position du mobile. L'orientation du solide est entièrement déterminée par la connaissance de l'orientation des deux directions fixes du mobile. Néanmoins, cette solution impose la visibilité permanente d'au moins deux sources collimatées par deux capteurs. Ce qui implique une grande quantité de sources collimatées et/ou de capteurs de direction, ou bien encore des sources collimatées de grande taille. Dans ce contexte, pour déterminer l'orientation d'un solide de manière indépendante de la position dudit solide, avec une bonne précision et à l'aide de moyens peu encombrants l'invention a pour objet un dispositif optique de détermination de l'orientation d'un repère Rm lié à un premier solide (1) par rapport à un repère Rf lié à un second solide dit de référence caractérisé en ce que: - le solide (1) comprend au moins un combiné constitué d'une source optique Smi et d'un détecteur de rayonnement optique Cmi; - le solide de référence comprend au moins un combiné constitué d'une source optique Sfj et d'un détecteur de rayonnement optique Cfj; - les sources optiques Smi et Sfj sont conjuguées ou confondues avec les centres des diaphragmes de champ dont sont équipés les capteurs de rayonnement optique; - au moins un des solides (1) ou de référence comprend au moins deux combinés de manière à définir au moins deux droites de direction u et v joignant deux couples de sources (Smi, Sfj) - le dispositif optique comprend des moyens de calcul des paramètres d'orientation du repère Rm par rapport au repère Rf à partir des coordonnées des vecteurs u et v déterminés à la fois dans le repère Rm et dans le repère Rf. La détermination de l'orientation du solide (1) par rapport au repère Rf passe par la mesure de l'orientation d'au moins deux directions distinctes, comme dans la demande de brevet précisée 2 683 036, cependant selon l'invention chacune des directions n'est ni fixe dans le repère Rf, ni fixe dans le repère Rm. Chacune des directions est celle d'une droite qui est mesurée à la fois dans le repère Rm et dans le repère Rf. La connaissance de l'orientation d'au moins deux droites distinctes dans chacun des repères donne par calcul, les trois paramètres d'orientation du solide (1) par rapport au repère Rf. Notons qu'une différence importante avec l'art antérieur se trouve au niveau des sources de lumière qui ne sont plus collimatées, mais omnidirectionnelles. Ainsi toute une gamme de directions de rayonnement optique émis par une source Smi est susceptible d'être détectée par un détecteur Cfj et réciproquement pour une source Sfj vis-à-vis d'un détecteur Cmi, lors du changement d'orientation du solide (1) par rapport au solide de référence. Dans le dispositif selon l'invention, les sources optiques Smi et Sf sont conjuguées avec les centres des diaphragmes de champ dont sont équipés les capteurs de rayonnement optique. Dans une telle configuration la position relative d'une source Smi (Sfj) par rapport au capteur de direction associé Cmi (Cfj), est telle que toutes les directions mesurées sont celles de droite passant par la source Smi (Sfj). Plus précisément, la direction de la source Sf mesurée par le capteur Cmi est celle de la droite joignant la source Sf à la source Smi. De même, la direction de la source Smi mesurée par le capteur Cfj est celle de cette même droite joignant les deux sources Sfj et Smi. Il s'ensuit que les capteurs Cmi et Cf mesurent séparément la direction de la même droite. Dans le dispositif selon l'invention, cette opération est effectuée au moins simultanément deux fois entre le solide (1) et le solide de référence de manière à définir simultanément la direction de deux droites. Les capteurs du dispositif selon l'invention peuvent avantageusement être surfaciques ou linéiques avec les diaphragmes de champ associés qui conviennent. Dans le cas d'application concernant des systèmes viseurs équipés sur des casques de pilote, le solide de référence peut être la cabine de l'aéronef dans lequel se trouve le pilote, le solide (1) étant le casque lui- même du pilote. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et gràce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un exemple de dispositif de détermination de l'orientation d'un solide selon l'art connu; - la figure I schématise la détection d'une source Sfj par un capteur surfacique Cmi; - la figure 2 schématise un combiné source Smi/capteur associé Cmi, comprenant un miroir semi-réfléchissant; - la figure 3 illustre un exemple de direction de rayonnement optique issu à la fois des sources Smi et Sfj et détectée par les capteurs Cmi et Cfj; - la figure 4 schématise les repères Rm et Rf, le repère Rm étant équipé de deux combinés pour recevoir des directions de rayonnement lumineux selon les vecteurs u et v indiqués; - la figure 5 illustre un exemple de combiné source/capteur utilisant un couple de capteurs linéiques Cmi1 et Cmi2. Par la détermination de deux droites relatives à des directions de rayonnement issus des deux repères Rm et Rf, le dispositif selon l'invention permet une détermination de l'orientation du solide (1) sans nécessiter des mesures supplémentaires de position et permet de s'affranchir des mesures par triangulation comme cela est classiquement le cas. Par là même, la précision sur la mesure d'orientation ne dépend pas de la précision d'une mesure de position. En utilisant des sources pouvant être ponctuelles et omnidirectionnelles on peut disposer d'un équipement de petite taille et donc d'intégration facile, notamment au niveau d'un casque. Nous allons décrire le principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention, dans le cas d'un dispositif utilisant des détecteurs surfaciques de rayonnement optique. La figure I illustre la détection par un détecteur Cmi équipé d'un diaphragme Dmi, dans le repère Rm, d'une source Sfji située dans le repère Rf. La source Sfj étant omnidirectionnelle, une partie de son rayonnement est nécessairement interceptée par le capteur Cmi, séparé du diaphragme qui lui est associé par une distance t. Le capteur Cmi peut avantageusement être équipé d'un objectif de focalisation de l'énergie de manière à focaliser au mieux l'énergie du rayonnement optique issu de la source Sfj, sur le capteur Cmi, permettant ainsi d'augmenter la sensibilité du capteur. La figure 2 est relative à un combiné capteur Cmilsource Smi, dans lequel l'image de la source est au centre du diaphragme. On peut en effet écarter la source Smi du diaphragme en utilisant un miroir de type semi-réfléchissant, capable de réfléchir le flux lumineux issu de la source Smi et de transmettre le flux lumineux issu d'une source Sfj situé dans le repère Rf. La figure 3 illustre un exemple de direction de rayonnement optique issu à la fois des sources Smi et Sfj et détectée par les capteurs Cmi et Cfj. Dans le solide (1) on définit un repère orthonormé Rm, constitué de trois vecteurs unitaires (i, j, k) i et j définissent les deux -> directions orthogonales de référence du plan du capteur surfacique, k étant relative à la normale au plan du capteur. Sur chaque capteur Cmi, la position imj du centre de la tache d'éclairement issu d'une source Sfj est ainsi donnée par ses coordonnées x et y dans le plan du capteur Cmi par rapport au centre Bmi du capteur Cmi (comme illustré en figure 1). La direction de la source Sfj est donnée par l'orientation de la droite ImiAmi si Ami est le centre du diaphragme Dmi associé au capteur Cmi. Les composantes du vecteur ImiAmi par rapport au repère ( i, j k) sont ainsi (x, y, t). Les composantes du vecteur unitaire u donnant l'orientation de la droite ImiAmi sont donc par rapport à ce repère: ami = xl(xe + y= + tF)1/2 bmai = y/(x2 + y2 + t2)1l/2 or.= -l{(x-l + y2 + 2t2)1:2 De même il est possible de définir l'orientation de la droite IfjAfj si Af est le centre du diaphragme Dfj associé au capteur Cfj et lfj la position du centre de la tache d'éclairement issu de la source Smi. Les droites identiques ImiAmi et IfjAfj peuvent donc être définies dans le repère Rm par des coordonnées (ami, bmi, cmi) et dans le repère Rf par des coordonnées (afj, bfj, cfj). Puisque selon l'invention, le dispositif comprend, dans au moins un repère, deux combinés source/détecteur, par exemple, dans le repère Rm, deux combinés (Smi, Cmi) et (S'mi, C'mi) comme l'illustre la figure 4, on peut définir au moins un autre vecteur v unitaire donnant l'orientation d'une droite l'mi'Ami. Chaque capteur transmet les informations qu'ils recueillent, toutes ces informations étant traitées pour définir les paramètres d'orientation d'un repère par rapport à l'autre. Pour le détail du calcul, on notera (a'mi, b'mi, cmi) les coordonnées du vecteur unitaire v dans le repère Rm et (a'fi, b'fi, c'f) les coordonnées de ce vecteur unitaire dans le repère Rf. A partir des vecteurs u et v connus dans les deux repères, on peut définir le vecteur unitaire w perpendiculaire au plan défini par les vecteurs u et v, w = u A v (A désignant le produit vectoriel). Les coordonnées du vecteur w dans le repère Rm sont ainsi données par les équations suivantes: Ami = bmi.C'mi-b'mi. Cmi Bmi = Cmi.a'mi-c'mi. ami Cmi = ami.b'mi-a'mi.bmi De même on peut définir les composantes du vecteur w dans le repère Rf par les équations suivantes: Afj = bfj.C'fj-b'-.Cfj Bfj = Cf.a'fj-c'fj.afj Cf] = afj.b'fj- a'f.bfj On introduit alors le vecteur v' appartenant au plan défini par les vecteurs u et v et perpendiculaire au vecteur u. Ce vecteur perpendiculaire à u et à w est donné par l'expression v' = w A u. Les composantes du vecteur v' dans le repère Rm sont donc données par les équations suivantes: A'mi = Bmi.ci-bmi.-Cmi B'mi = Cmi.ami-cmi.Ami s C'mi = Ami.bmi-ami.Bmi Les composantes du vecteur v' dans le repère Rf sont donc aussi données par les équations suivantes: A'fj = bfj.Cfj-bfj. Cfj B'fj = Cfj.afi -c.Afj C'f = Afj.bfj-afj.afj La matrice 3x3 qui a pour colonnes les composantes des vecteurs u, v' et w dans le repère Rm a pour expression: a. AI'm An [M]l = b n, B'rni B rn CIi C'mi Cmi La matrice 3x3 qui a pour colonnes les composantes des vecteurs u, v' et w dans le repère Rf a pour expression: a, A' Ai [Mf] = bf B' B LCf C'fe Cf La matrice de rotation recherchée [R] qui exprime la rotation du solide (1) lié à Rm par rapport au solide de référence lié à Rf, relie également les composantes des vecteurs u, v' et w dans le repère fixe Rf aux composantes de ces mêmes vecteurs dans le repère Rm. Ainsi [Mfj] = [R].[Mmi] Soit encore [R] = [Mfj].[Mmi]-1 La matrice [Mmi]1, inverse de la matrice [Mm] est aussi sa transposée. Plus précisément, I'expression de la matrice [R] cherchée est: ai A'0 A [ami bmi C.t [R]= b B' Bi. Mi Bu mû. Cimi Cf Ci Ci] Ami ' Bri Cmi Ainsi, à partir des positions d'éclairement des sources associées au repère Rf, sur des capteurs plans Cmi associés au repère Rm, on est en mesure de déterminer l'orientation du mobile (1) par rapport au mobile de référence. Notamment, il est possible de déterminer l'orientation du casque d'un pilote équipé de sources et de capteurs (Smi, Cmi), par rapport à la cabine de pilotage elle-même équipée de sources et de capteurs (Sfj, Cfj). Typiquement, les capteurs surfaciques utilisés peuvent avantageusement être spatialement discontinus, constitués d'une mosaïque d'éléments photosensibles régulièrement espacés et alignés, selon une structure matricielle, en lignes et colonnes. Ces capteurs délivrent cycliquement un signal électrique (vidéo) successivement proportionnel à l'éclairement de chaque élément photosensible et intégré pendant une durée donnée. Il peut s'agir de matrice de photocapteurs à transfert de charge (en anglais CCD, pour Charge Coupled Device). La connaissance du profil, même spatialement échantillonné, de la zone éclairée sur le capteur permet de calculer la position du centre de cette zone éclairée avec une précision meilleure que celle du pas entre éléments photosensibles. Les sources de lumière peuvent avantageusement être des diodes électroluminescentes (émettant par exemple dans l'infrarouge) leur rayonnement peut être rendu indétectable ou facilement rejectable par le capteur associé grâce à l'utilisation d'un miroir semi-réfléchissant, mais également par l'utilisation d'un décalage optique en longueur d'onde (le capteur surfacique n'est pas sensible à la longueur d'onde émise par la source associée. On peut également utiliser un codage temporel pour assurer la non-détection d'une source de lumière par le capteur associé. Le diaphragme de champ peut être constitué d'un trou circulaire ménagé dans un matériau opaque au rayonnement de la source ponctuelle dont on cherche à mesurer la direction, par rapport à la normale au plan du photodétecteur, par exemple. Dans une seconde variante de l'invention, les capteurs utilisés sont des couples de capteurs linéiques les combinés dont sont équipés les repères Rm et Rf comprennent alors chacun: - deux capteurs linéiques coplanaires Cmi1 et Cmi2 (respectivement CfjI et Cfj2), dont les axes sont perpendiculaires entre eux; - deux diaphragmes de champ en forme de fentes Fmil etFmi2 coplanaires (respectivement Ffil et FfJ2) dont les axes sont perpendiculaires entre eux; - une source ponctuelle Smi (respectivement Sfj) positionnée dans le plan des fentes, à l'intersection des axes des fentes, comme illustré en figure 5. Il apparaît que le plan Pmi des capteurs et le plan Qmi des fentes sont parallèles et distants de t dans le repère Rm (la situation est analogue dans le repère Rf). Les fentes Fmil et Fmi2 sont respectivement perpendiculaires aux capteurs Cmil et Cmi2 Les centres Amil et Ami2 des fentes Fmil et Fmi2 sont positionnés sur les mêmes normales au plan Pmi que les centres Bmil et Bmi2 des capteurs Cmi1 et Cmi2. Les positions Imil et Imi2 des centres des zones éclairées sur les photocapteurs donnent les plans sur lesquels se trouve la source mesurée Sfj: - le plan issu de Imil et passant par la fente F1 - le plan issu de Imi2 et passant par la fente F2 Pour augmenter la sensibilité des capteurs linéiques Cmil et Cmi2, il est possible de leur associer des objectifs de focalisation Obmil et Obmi2, constitués par exemple d'une lentille cylindrique de distance focale égale à la distance t. De même que dans la variante de l'invention utilisant des capteurs surfaciques, on peut définir le repère orthonormé Rm par des vecteurs unitaires (i, j,k) dont deux directions sont définies orthogonalement aux axes des capteurs linéiques Cmil et Cmi2 et la troisième direction est définie par la normale commune aux plans Pmi des capteurs et au plan Qmi des fentes. Les positions Imil et Imi2 du centre des.taches d'éclairement sur chaque capteur Cmil et Cmi2 sont données respectivement par leurs coordonnées x ou y, le long du capteur par rapport au centre Bmil et Bmi2 de chaque capteur. La direction dans laquelle se trouve la source Smj inconnue est donnée: par le plan contenant l'axe de la fente Fmil et le centre de tache Imi1; par le plan contenant l'axe de la fente Fmi2 et le centre de taxe Imi2. L'intersection de ces deux plans est la droite qui contient - le point de concours Ami des axes des fentes - le point Imi, intersection entre * la droite passant par le centre de tache Imil et parallèle à l'axe de la fente FmilL * la droite passant par le centre de tache Imi2 et parallèle à l'axe de la fente Fmi2 La direction de la source Sfi inconnue est donc donnée par l'orientation de la droite ImiAmi, qui passe par le point de concours Ami des axes des fentes. Les composantes du vecteur ImiAmi par rapport au repère _ - -__- (i, j, k) sont (x, y, t). Les composantes du vecteur unitaire u donnant l'orientation de la droite ImiSfj sont donc par rapport à ce repère, identiques à celles définies dans le cadre de capteurs surfaciques, à savoir: ami = x /x2 +y2 +t2 bm =y/ x2 +y2 +t2 Cmi = t//x2 2 +y2 +t2 Dans cette variante de l'invention, les sources utilisées peuvent également être des diodes électroluminescentes. Les capteurs linéiques peuvent être des barrettes de photocapteurs à transfert de charge (CCD). L'avantage de l'utilisation de capteurs linéiques réside dans leur cadence de fonctionnement plus rapide que celle des capteurs surfaciques et dans leur faible encombrement. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique de détermination de l'orientation d'un repère Rm lié à un premier solide (1) par rapport à un repère Rf lié à un second solide dit de référence caractérisé en ce que: - la solide (1) comprend au moins un combiné constitué d'une source optique Smi et d'un détecteur de rayonnement optique Cmi; - le solide de référence comprend au moins un combiné constitué d'une source optique Sfj et d'un détecteur de rayonnement optique Cfj; - les sources optiques Smi et Sfj sont conjuguées ou superposées avec les centres des diaphragmes de champ dont sont équipés les capteurs de rayonnement optique; - au moins un des solides (1) ou de référence comprend au moins deux combinés de manière à définir au moins deux droites de direction u et v joignant deux couples de sources (Smi, Sfj); - le dispositif optique comprend des moyens de calcul des paramètres d'orientation du repère Rm par rapport au repère Rf à partir des coordonnées des vecteurs u et v déterminés à la fois dans le repère Rm et dans le repère Rf. 2. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs de rayonnement optique sont des capteurs surfaciques, équipés de diaphragme de champ parallèle au plan du capteur. 3. Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les capteurs de rayonnement optique sont spatialement discontinus de type mosaïque d'éléments photosensibles. 4. Dispositif optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les capteurs discontinus de rayonnement optique sont des matrices de photocapteurs à transfert de charge (CCD). 5. Dispositif optique selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les sources optiques sont des sources ponctuelles disposées au centre des diaphragmes de champs. 6. Dispositif optique selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les images des sources optiques sont disposées au centre des diaphragmes de champ, un miroir de type semi-réfléchissant étant positionné entre chaque source et le diaphragme de champ associé. 7. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque capteur Cmi ou Cfj comprend deux capteurs linéiques élémentaires Cmil et Cmi2 ou Cfj1 et Cfj2, lesdits capteurs linéiques élémentaires étant coplanaires et possédant des axes non parallèles entre eux, lesdits capteurs linéiques étant associés à des diaphragmes de champ en forme de fentes coplanaires et perpendiculaires à la fente associée; les sources optiques Smi ou Sfj étant placées à l'intersection des axes desdites fentes. 8. Dispositif optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les capteurs linéiques sont de type barrettes de photocapteurs à transfert de charge. 9. Dispositif optique selon l'une des revendications I à 8, caractérisé en ce que les sources optiques sont des diodes électroluminescentes. 10. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le repère est la cabine d'un aéronef dans lequel est situé un pilote équipé d'un casque, le solide (1) étant le casque du pilote.