Brevet FR2748815A1 — publié le 19971121

SYSTEME DE REPERAGE SPATIAL D'UNE DIRECTION LIEE A UN CORPS MOBILE PAR RAPPORT A UNE STRUCTURE, UTILISABLE NOTAMMENT POUR UN VISEUR DE CASQUE La présente invention concerne un système de repérage spatial d'une direction liée à un corps mobile par rapport à une structure. Un tel système permet de déterminer l'orientation relative du corps mobile par rapport à une structure environnante ce qui est le cas notamment pour l'application 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 optiques 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 montées 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 successive 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 consécutivement, 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 electroluminescente 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 mnématique 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 notamment des polariseurs optiques. Suivant l'invention il est proposé de réaliser un système de repérage spatial d'une direction liée à 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 un calcul des plans sécants, et par leur intersection la direction à repérer, caractérisé en ce que les moyens d'émission comportent une source émettrice et un polariseur plan pour polariser l'onde lumineuse émise selon la direction à repérer, et que les moyens de détection optoélectriques comportent au moins deux dispositifs capteurs, chacun ayant successivement un analyseur plan orientable pour laisser passer l'onde polarisée et déterminer l'angle de rotation de l'analyseur relativement à une position de référence déterminée par rapport à la structure, une optique de focalisation pour focaliser l'onde polarisée après traversée de l'analyseur et former une image de la source, et un détecteur de position disposé dans le plan de focalisation pour produire des signaux détectés représentatifs des coordonnées cartésiennes de l'image du point source, lesdites coordonnées et celles du centre optique de l'optique focalisatrice définissant une droite par rapport au trièdre de référence de la structure, cette droite avec ledit angle de rotation permettant de déterminer un plan parallèle à la direction à repérer. Les particularités et avantages de l'invention appraîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple, à l'aide des figures annexées qui représentent: - Fig.l, un schéma d'un système de repérage spatial de direction conforme à l'invention; - Fig.2, un schéma partiel relatif à l'entraînement de l'analyseur plan et à la détection de l'angle de rotation; - Fig.3, un schéma partiel relatif à une variante de réalisation du système suivant laquelle la source émettrice est extérieure au corps mobile; - Fig.4, un schéma simplifié relatif à une utilisation sur un viseur de casque de la solution figure 3. En se reportant à la figure 1 le corps CM, mobile par rapport à la structure ST, comporte des moyens d'émission d'une onde polarisée suivant une direction de polarisation V. Ceci peut être obtenu avec une source lumineuse ponctuelle 1 telle une diode électroluminescente, associée à une optique de polarisation plane 2. Les moyens de détection optoélectriques portés par la structure ST comportent au moins deux capteurs 3 et 4 pour définir chacun un plan contenant la direction de polarisation V, laquelle se trouvera donc déterminée par la droite d'intersection de ces plans. Chacun des capteurs comporte, comme indiqué de manière détaillée pour le capteur 3, un analyseur plan 5 orientable, une optique focalisatrice 6 et un détecteur de position 7. Les moyens d'entraînement en rotation de l'analyseur 5 sont symbolisés par les organes 8, ces organes fournissant également la position angulaire Q de la direction de polarisation V présentée par cet analyseur par rapport à une direction de référence RF déterminée par rapport à la structure ST. La rotation de l'analyseur s'effectue autour de son axe perpendiculaire à son plan, cet axe colncidant avec l'axe optique de la lentille 6. Lorsque l'orientation de l'analyseur correspond au plan de polarisation présenté par les ondes émises par l'ensemble 1 et 2, ces ondes lumineuses traversent l'analyseur 5 et sont focalisées par l'optique 6 pour donner dans le plan focal ou se trouve le détecteur 7 une image M1 de la source ponctuelle 1. Le détecteur 7 est un détecteur en circuit solide d'un type détecteur de position. Les dispositifs détecteurs de position sont de plusieurs sortes ; on citera pour mémoire les matrices dont la forme la plus simple est constituée par un détecteur quatre quadrants. De manière préférée le détecteur est à un seul élément du type détecteur au silicium XY (sa dénommination anglaise est Position-Sensitive Détector, en abrégé PSD). C'est un détecteur optoélectronique qui produit les données de position en XY d'un spot lumineux reçu sur sa surface photosensible. Comparé aux éléments détecteurs discrets tels que les dispositifs à transfert de charges, les dispositifs PSD présentent une résolution très élevée de la position, une vitesse de réponse importante et des circuits de traitement simples. I1 fournit en fait quatre signaux permettant de calculer aisément les coordonnées du point image par rapport au centre de l'élément détecteur selon des formules simples d'écartométrie. Le capteur 3 étant solidaire de la structure ST, on connaît la position du centre CI de l'optique 6 par rapport au plan de détection et à partir des coordonnées cartésiennes du point image M1 on connaît également la position du point M1 par rapport à un trièdre de référence lié à la structure ST. On connaît donc la position de la droite Cl-Ml par rapport au trièdre Xs YS ZS lié à la structure. Connaissant par ailleurs l'angle d'orientation Q dont il a fallu faire tourner l'analyseur 5 par rapport à un direction de référence RF (qui peut être l'un des axes du trièdre de référence, par exemple la direction Y5) on en déduit aisément l'équation du plan formé par cette droite Ml-Cl et le vecteur polarisation V de direction a. Les calculs correspondants par traitement des signaux détectés SD et analyse du signal de position angulaire SP sont effectués par une unité annexe de gestion de contrôle et de calcul 10. Cette unité élabore également les signaux de commande SC des organes d'entraînement 8 en rotation des analyseurs jusqu'à apparition des signaux détectés correspondants. La figure 2 représente un détail d'entraînement de l'analyseur au moyen d'un moteur 11 qui reçoit le signal de commande SC, d'une roue dentée 12 qui entraîne une périphérie dentée correspondante de l'analyseur 5 de forme circulaire. L'analyseur comporte sur sa périphérie un petit miroir 13 qui correspond à la direction du diamètre de référence RF parallèle à la direction de polarisation V de l'analyseur. Une source 14 produit un rayonnement en direction du miroir, ce rayonnement étant réfléchi vers un détecteur 15 pour fournir un signal de position de référence SPO. Ce signal temporel peut être utilisé pour calculer ensuite en fonction de la durée de rotation à vitesse uniforme l'angle de rotation G. Il est entendu que cette représentation est donnée à titre indicatif et que de nombreuses autres solutions peuvent être mises en oeuvre pour entraîner l'analyseur 5 et pour fournir la référence de rotation angulaire, ou la mesure de la rotation. Dans le but d'utiliser ce montage sur un viseur de casque en particulier, il s'avère préférable de disposer la source extérieurement au corps mobile. Ceci facilite d'une part l'exécution des éléments portés par le corps mobile et d'autre part, permet à ce corps mobile de n'inclure que des éléments passifs. Pour émettre l'onde polarisée E, étant donné que la source est extérieure et montée solidaire de la structure ST, il est nécessaire que l'onde émise par cette source soit polarisée par le polariseur 2 et renvoyée vers les moyens de détection optoélectriques. En conséquence, on dispose à l'arrière du polariseur 2 comme représenté sur la figure 3 un élément rétroréflecteur 20. L'élément rétroréflecteur est constitué de préférence par une bande en matériau rétroréfléchissant. On sait produire cette bande sous forme d'un élément adhésif ou coulable, ou d'une peinture. Dans la version figure 3 la source 1A et le détecteur 7A sont montés axe commun sur le capteur 3A représenté au moyen d'une glace semi-transparente 21 inclinée à 45" sur l'axe optique de la lentille 6. Le détecteur 7A dans ce contexte n'a plus besoin d'être un détecteur de position mais un simple élément détecteur conventionnel à une sortie puisque la direction d'émission et de rétroréflexion est imposée. Le deuxième capteur 4A non détaillé, comporte également un montage homologue de celui du capteur 3A avec une source 1B et un détecteur 7B. Chaque capteur définit un plan passant par l'axe optique correspondant et parallèle à la direction V du vecteur de polarisation. La figure 4 représente le montage précité monté sur un casque d'un pilote, le polariseur plan 2 peut être réalisé sous forme d'un feuille transparente appliquée sur la bande rétroréflectrice 20. La direction V de polarisation correspond avantageusement à la direction de visée DV à repérer, cette direction correspondant à la visée d'un réticule collimaté à travers une glace semi-transparente 30. Le casque 31 constitue le corps mobile, la structure fixe étant constituée par l'habitacle de l'avion non représenté. On se rend compte que dans le système selon l'invention, la source émettrice peut être modulée, par exemple selon une loi sinusoïdale, le signal étant ensuite démodulé à la réception par un filtrage adapté, ce qui permet d'accroître la fiabilité et la précision de la mesure. Le système sera pourvu dans ce cas de moyens de modulation à l'émission et de démodulation après détection. REVENDICATIONS 1. Système de repérage spatial d'une direction liée à un corps mobile par rapport à une structure, à l'aide de moyen d'émission portés par la corps et de moyens de détection électriques portés par la structure pour définir par analyse des signaux détectés et par un calcul au moins deux plans sécants et par leur intersection la direction à repérer, le système étant caractérisé en ce que les moyens d'émission comportent une source émettrice (1) et un polariseur plan (2) pour polariser l'onde lumineuse émise selon la direction à repérer, les moyens de détection optoélectriques comportant au moins deux dispositifs capteurs (3,4), chacun ayant successivement, un analyseur plan orientable (5) pour laisser passer l'onde polarisée et déterminer l'angle de rotation (G ) relativement à une position de référence déterminée par rapport à la structure (ST), et une optique (6) de focalisation de l'onde polarisée sur un détecteur optoélectrique (7). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif détecteur (7) est un détecteur de position pour produire des signaux (SD) représentatifs de la position de l'image de la source en X et Y dans le plan de photodétection, lesdites données de position en XY et celles du centre (C1) de l'optique (6) définissant une droite par rapport à un trièdre de référence (Xs YS Z5) lié à la structure, cette droite et l'angle de rotation permettant de définir un plan contenant ladite direction à repérer. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit détecteur de position (7) est formé par un seul élément au silicium délivrant quatre signaux de sortie. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source émettrice (IA) est extérieure au corps (CM) qui comporte un dispositif retroréflecteur (20) pour réfléchir l'onde lumineuse après traversée du polariseur. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif rétroréflecteur (20) est constitué par une bande en matériau rétroréflecteur. 6. Système selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le détecteur (7A,7B) est un simple élément détecteur délivrant une sortie signal. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que chaque capteur (3A,4A) comporte une source émettrice (lA,lB) montée axe commun avec le détecteur (7A,7B). 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la source (1), ou chaque source (lA,lB), est constituée par une diode électroluminescente alimentée de manière continue.