Brevet FR2750770A1 — publié le 19980109

Dispositif et système de tra jectogranhie optique Par caméra linéaire L'invention concerne la réalisation d'un dispositif de détection et de mesure destiné à établir la trajectoire d'un mobile par exemple balistique. Différents systèmes de trajectographie connus et ont donné lieu à diverses mises en oeuvres. De la photographie à temps de pose adapté en fonction de la durée de la trajectoire à observer, à la photographie stroboscopique, de la photographie à deux points de vue en passant par la vidéogrammétrie, les techniques vidéo ont permis la représentation et la mesure des objets rapides. Cependant, de tels dispositifs atteignent des limites, qui découlent des fréquences de prise de vue, des résolutions et des précisions attendues. Ainsi, la plupart des caméras standards sont limitées à une fréquence de fonctionnement de 25 Hz, ce qui est suffisant pour la perception oculaire mais insuffisant pour l'analyse d'une trajectoire furtive. Enfin, les difficultés de corrélation et de synchronisation des prises de vue effectuées selon des angles différents limitent le champ d'application de ces méthodes à des cas spécifiques. Le procédé de relevé de trajectoire faisant l'objet de l'invention concerne la mesure de projectiles dont le déplacement pendant une image vidéo classique est susceptible de dépasser plusieurs fois la taille. Une solution généralement mise en oeuvre consiste alors à effectuer une image sur une durée très brève, permettant de synchroniser précisément chaque position relevée et observée du projectile, renouvelée à un rythme de 25 Hz par exemple. Cette solution reste contraignante. Selon l'invention, une mesure de la position du projectile est effectuée à un rythme supérieur à ce qu'autorise la vidéo. Selon l'invention, une mesure de la position du projectile est effectuée avec une précision spatiale équivalente au déplacement qu'effectue ledit projectile. Enfin, selon l'invention, une optimisation optique est mise en oeuvre dans le but de réduire le nombre de capteurs nécessaires à la mesure. Description Le projectile se propage dans un parallélépipède longueur p et de côté L. Ce projectile obéit à une trajectoire qui relève de la balistique et de l'aérodynamique. II suffit de connaître l'instant et le lieu de passage du projectile selon 2 plans du parallélépipède pour interpoler une trajectoire purement balistique. Pour la prise en compte d'un effet aérodynamique, une troisième mesure peut s'avérer nécessaire et suffisante, selon un troisième plan. La figure 1) illustre les positions respectives des plans 1 2 et 3 vis à vis de la trajecoire 4 du projectile. Ce principe de mesure a donné lieu à une diversité de mises en oeuvre. Dans le cadre de l'invention, nous décrivons plus particulièrement une mise en oeuvre utilisant des capteurs constitués de caméra barrettes. Une caméra barrette contient un capteur linéaire, constitué dé la juxtaposition de photo détecteurs alignés. Contrairement à une matrice CCD qui analyse une image, le capteur linéaire n'analyse qu'un profil de luminance selon une coupe de l'environnement effectuée dans le plan qui contient la dite barrette et le centre de l'objectif de la dite caméra. La figure 2) illustre l'association du capteur linéaire 1 de l'ojectif 2 et du plan d'analyse 3 de la dite caméra. La fréquence de renouvellement de l'analyse de profil lumineux relevé sur la barrette peut être élevée, elle correspond à la fréquence pixel divisée par le nombre de pixel alignés. Par exemple, atteignant couramment des fréquence pixel de 10 à 30 MHz, une barrette de 256 éléments pourra être lue avec une récurrence de 40 à 100 kHz environ, et une barrette de 1000 pixels à une fréquence de 10 à 30 kHz. Selon l'invention, la détection et la mesure du projectile sera effectuée même s'il est rapide lors de son franchissement de chaque plan de mesure à l'aide d'une ou deux caméras barrettes dont les plan de mesures coïncident. Pour cela les caméras barrettes placées dans les plans de mesure sont orientées selon ce même plan. Les caméras sont par exemple situées aux extrémités inférieures A et B du plan de mesure, et relèvent la luminance selon un angle d'ouverture par exemple de 90 ", ce qui garanti une couverture complète du plan. La figure 3) illustre cette disposition Le projectile P qui pénètre le plan de mesure M à l'instant t0 est repéré par ses coordonnées angulaires aa et ab L'image du projectile traverse l'objectif de chaque caméra de focale f et atteint le pixel repéré linéairement sur le capteur en x = f. tg a. Une analyse d'image classique caractérise le pixel correspondant, par la variation de luminance relevé sur celui-ci. Elle ne fait pas l'objet de l'invention. La détection synchrone d'un projectile dans le champ des deux caméras détermine - I'instant de passage t - les cordonnées angulaires du lieu de passage aa et ab La déduction des coordonnées cartésiennes du lieu de passage est alors mathématiquement triviale, à l'exception de la zone proche de l'axe joignant les deux caméras. Dans cette zone, la mesure perd toute précision et nécessite un levé d'ambiguïté. Dans le cadre de l'invention, un dispositif est mis en oeuvre pour éliminer l'ambiguïté de mesure dans la totalité du plan de mesure. Pour ce faire il suffit de générer un point de vue supplémentaire éliminant toute zone morte dans l'alignement des deux caméras. Un exemple de solution consiste à fixer en surplomb de la surface de mesure un miroir dont les reflets sont analysés par les caméras. Chaque caméra perçoit alors deux images du projectile, selon les a croissants, une première image directe, et une seconde reflet. Les angles de mesure aa et ab directs et aa' et a' reflets suffisent à éliminer toute zone morte et toute ambiguïté de mesure. La figure 4) illustre le miroir 0, les caméras A et B et les angles de mesure correspondant à P Ainsi, selon l'invention, une détection et une mesure du lieu de franchissement du plan est effectuée sans ambiguïté par exemple par deux caméras barrettes A et B dont les champs coïncident avec M associées à un miroir O orienté perpendiculairement au plan en regard des dites caméras. Une variante de ce procédé peut avantageusement être mise en oeuvre. Une telle variante ne comporte qu'une caméra barrette dans le but d'économiser aussi bien le capteur que la gestion de la mesure. La mise en oeuvre du miroir O surplombant le cadre ne suffit pas à assurer avec une seule caméra, par exemple placée en A, une mesure sans ambiguïté sur toute la surface. Dans le but d'éliminer toute zone d'ambiguïté, et selon l'invention, il est mis en oeuvre des dispositifs optiques pour multiplier les points de vue du projectile. Constatant que les images du projectile prises de 3 points différents au moins dans le plan sont nécessaires et suffisantes pour éliminer les ambiguïtés, deux dispositifs optiques sont mis en oeuvre pour assurer à la dite caméra deux points de vue supplémentaires du projectile. Deux miroirs O et O' placés en regard de la caméra génèrent une multiplicité de reflets indirects qui nuisent à l'interprétation de la mesure. Ainsi, les dispositifs optiques retenus génèrent préférentiellement chacun un reflet unique, correspondant à un point de vue différent de la caméra. Selon un exemple de mise en oeuvre de dédoublement des images, le champ d'analyse de la caméra est replié en O parallèlement à M et decalé d'une distance e supérieure à l'épaisseur du dit champ d'un coté choisi arbitrairement. De même, le champ de la caméra est replié en O' parallèlement, de l'autre côté, décalé d'une même distance e. Comme les champs repliés ne se recouvrent pas, un projectile franchit arbitrairement Mg, puis M puis M0', et donne lieu à trois images successives perçues par la caméra. Ces trois images correspondent à des angles d'observation distincts ag, a et a01, dont l'interprétation suffit au calcul du lieu de franchissement du projectile. La figure 5) représente le point de prise de vue de la caméra A, le plan M, le lieu de traverséé du plan M par le projectile P, les dispositifs O et O' générant les plans Mg et Mot ainsi que les angles ao, a et aO'. De plus, les instants de franchissement des plans to, t et t01 assurent une mesure supplémentaire, celle du signe et d'une évaluation de la vitesse Vp du projectile: Vp est proche de 2e/(to to) . Un exemple de réalisation d'un dispositif destiné à replier le champ d'observation de la caméra est constitué de deux lames réfléchissantes, perpendiculaires et similaires L1 et L2. Disposées en O et O' les lames ont une longueur équivalente au coté de la zone d'observation. Ces deux lames présentent en regard de la caméra une largeur e supérieure à l'épaisseur de leur champ d'observation. Ces lames sont séparées d'une largeur supérieure à la dite épaisseur. Entre ces lames, une zone morte sépare le plan replié du plan M. Il apparaît clairement selon cet exemple de mise en oeuvre que la caméra perçoit l'image du projectile par exemple dans Mg après deux reflets successifs sur les lames miroir L1 et L2. Selon une mise en oeuvre avantageuse mais non exclusive des dispositifs de repliement du champ O et 0', ceux ci peuvent être constitués d'une barre équerre en inox poli à l'endroit des miroirs, ou bien une barre équerre en acier ou en aluminium sur laquelle sont collés les deux miroirs L1 et L2. La figure 6) illustre une coupe du dispositif O et les miroirs L1 et L2. Alors le plan de mesure est délimité par un cadre comportant deux barres perpendiculaires jointes par l'axe des miroirs par exemple L1 pour O et L2 pour 0' situé dans le plan M. Le cadre peut alors être consolidé par une troisième barre qui en assure le soutien. Différents accessoires de jonction classiques assurerons la cohésion des éléments cités selon un principe qui ne fait pas l'objet de l'invention. Par l'exemple de mise en oeuvre avantageux, faisant l'objet de l'invention, la détection et la mesure du projectile est effectuée dans un plan par la mise en oeuvre d'un capteur caméra barrette unique, dont le champ couvre le plan M complet. Cette caméra est associée à deux dispositifs de repliement de champ O et O' contitués par exemple de miroirs L1 et L2 perpendiculaires, qui chacun dédoublent le champ de mesure M et garantissent 3 points de vue successifs du projectile détecté. Par ce procédé, les coordonnées cartésiennes ainsi que la vitesse du projectile sont déterminées. Une structure mécanique assure la cohésion du cadre, au même titre qu'un traitement d'image et une gestion de la mesure est assuré classiquement par un calculateur qui ne sera pas décrit. Ce cadre de mesure. selon l'une ou l'autre des variantes précédemment décrites constitue un composant destiné à la détermination d'une trajectoire de projectile balistique ou aérodynamique. Un tel cadre peut entre associé avec un second ou un troisième, avec une surface de rebond du projectile ou un dispositif de détection du départ du projectile. En fonction des différentes associations la simplicité du dispositif de mesure de trajectoire varie en fonction des performances constatees. Soit D le point de départ de la trajectoire, détectant l'instant t0 de départ. Un tel point de départ peut comporter un détecteur de présence du projectile ou un détecteur de passage. Relié au dispositif de gestion de la mesure, I'instant de changement d'état du détecteur identifie le départ ou le passage du projectile. Un tel point de départ peut par exemple comporter un détecteur optique de proximité, placé à proximité immédiate du projectile au départ de sa trajectoire ou à proximité de sa trajectoire initiale. Une surface de rebond peut également participer à la mesure. En particulier, une surface sphérique avantageusement centrée sur le point de départ du projectile, d'une dimension au moins égale au cadre de mesure. Une telle surface est optimisée pour que le rebond du projectile s'effectue dans une trajectoire proche de sa trajectoire initiale, en particulier, si le projectile a initialement franchi le cadre de mesure, le rebond le franchira également. Ainsi les associations permettent la mesure de trajectoires soit purement balistiques, ( pseudo paraboliques ), soit affectées d'un effet aérodynamique. - Deux cadres dans le parallélépipède de mesure, selon l'une ou l'autre des variantes suffisent à assurer le relevé d'une trajectoire purement balistique. - Trois cadres suffisent au relevé d'une trajectoire aérodynamique. - La détection de l'instant et du lieu de départ de la trajectoire et un cadre suffisent à assurer le relevé d'une trajectoire balistique - La détection de l'instant et du lieu de départ de la trajectoire et deux cadres suffisent à assurer le relevé d'une trajectoire aérodynamique. - Un cadre et une surface de rebond suffisent à assurer le relevé d'une trajectoire purement balistique. - Deux cadres et une surface de rebond suffisent à assurer le relevé d'une trajectoire aérodynamique. enfin - La détection de l'instant et du lieu de départ de la trajectoire un cadre et une surface de rebond suffisent à assurer le relevé d'une trajectoire aérodynamique. La figure 7) illustre cette dernière mise en oeuvre. Le détecteur de départ D en 1 initie la trajectoire 2 qui franchit le cadre de mesure une première fois en 4, heurte la surface de rebond 5 en un point 6 et franchit une nouvelle fois le cadre 3 au points. La qualité de la surface de rebond et le spin éventuel du projectile influent sur le lieu du point 7, ce qui assure une information suffisante pour interpoler la trajectoire aérodynamique du projectile. Cette décomposition élémentaire du dispositif de trajectographie selon l'invention répond à divers besoins. Aussi bien en expérimentation balistique qu'en analyse des sports, en simulation et en réalité virtuelle, un tel dispositif assurera les relevés de trajectoire par un moyen extrêmement optimisé et avantageux. Revendications I) Système de trajectographie fondé sur la mesure des instants et lieux d'interception de la trajectoire par des plans détecteurs, caractérisé en ce que les plans détecteurs comportent une ou deux caméras linéaires dont le champ d'analyse coïncide avec le dit plan et en ce que chaque caméra détecte le franchissement du plan par le projectile selon un angle qui détermine le lieu de franchissement. 2) Plan détecteur selon la revendication 1 comportant deux caméras linéaires dont le champ coïncide avec le dit plan, situées à la périphérie de celui ci et caractérisé en ce que la zone de mesure des coordonnées cartésiennes du lieu de franchissement est étendue sur la totalité de la surface du dit plan par la mise en oeuvre d'un dispositif optique qui dédouble les points de vue des caméras. 3) Exemple de mise en oeuvre du plan détecteur selon les revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif pour dédoubler les images du projectile est un miroir perpendiculaire au dit plan détecteur, situé en regard des dites caméras le long du périmètre du dit plan détecteur. 4) Plan détecteur selon la revendication 1 dont la zone de mesure des coordonnées cartésiennes du lieu de franchissement est étendu sur la totalité de la surface caractérisé en ce qu'il comporte une caméra linéaire unique est deux systèmes optiques pour dédoubler les images du projectile. 5) Exemple de mise en oeuvre selon les revendications 1 et 4 caractérisé en ce que les deux dits systèmes optiques sont constitués de miroirs perpendiculaires qui replient le champ des dites caméras selon deux plans décalés parallèles au plan détecteur, et en ce que ces deux systèmes sont placés en vis à vis de la caméra linéaire, à la périphérie du plan. 6) Système de trajectographie selon la revendication 1 pour la mesure d'une trajectoire balistique caractérisé en ce qu'il comporte deux plans détecteurs selon les revendications 2 à 5. 7) Système de trajectographie selon la revendication 1 pour la mesure d'une trajectoire aérodynamique caractérisé en ce qu'il comporte trois plans détecteurs selon les revendications 2 à 5. 8) Système de trajectographie selon la revendication I pour la mesure de trajectoires balistiques de départ connu caractérisé en ce qu'il comporte une détecteur de départ de trajectoire et un plan détecteur selon les revendications 2 à 5. 9) Exemple de système selon la revendication 8 caractérisé en ce que le détecteur de départ de trajectoire est un détecteur de proximité optique, par exemple constitué d'un émetteur et d'un récepteur infrarouge accolés 10) Système de trajectographie selon la revendication 1 pour la mesure de trajectoires aérodynamiques caractérisé en ce qu'il comporte deux plans détecteurs et une surface de rebond qui renvoie le projectile traverser une seconde fois l'un des plans détecteurs. 11) Système de trajectographie selon la revendication 1 pour la mesure de trajectoires balistiques caractérisé en ce qu'il comporte un plan détecteur et une surface de rebond qui renvoie le projectile traverser une seconde fois le dit plan détecteur. 12) Système de trajectographie selon la revendication 1 pour la mesure de la trajectoire aérodynamique caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur de départ un plan détecteur et une surface de rebond qui assure au projectile une seconde traversée du plan détecteur