Brevet FR2767408A1 — publié le 19990219

L'invention concerne la réalisation d'un dispositif de trajectographie d'un mobile balistique. Destiné à une application dans le domaine du sport, il est plus particulièrement optimisé pour la détermination de la trajectoire de balles de golf, base-ball, football, tennis. Il peut également être employé pour la détection d'une balle de fusil, d'un obus, etc. Les dispositifs de trajectographie classique sont coûteux, et peu adaptés à des mobiles de petite dimension (radar, photographie, stroboscopie, photogrammétrie, vidéo et corrélation de plusieurs points de vue). De plus les précisions de positionnement, les délais de traitement et l'encombrement des systèmes n'est pas compatible avec les applications citées. II apparaît nécessaire de mettre en oeuvre un principe original pour ces applications. L'invention décrit un procédé de trajectographie mesurant en temps réel quelques points de la trajectoire d'un projectile balistique ou roulant de faibles dimensions, et permettant par interpolation informatique de reconstituer l'instant et le point de départ de la trajectoire et la trajectoire avec une fidélité élevée. L'invention décrit donc un procédé et un dispositif pour échantillonner quelques coordonnées instantanées de la trajectoire d'un projectile ainsi que les principes généraux de calcul interpolation de la trajectoire. L'invention est plus particulièrement décrite dans le cadre de la mise en oeuvre d'un exemple d'application: un simulateur de golf. Le dispositif de mesure et interpolation de la trajectoire est le système d'acquisition du coup joué par le joueur, il donne les éléments pour une représentation graphique du coup joué sur un terrain virtuel. Selon l'invention, le procédé de mesure est optique, fondé sur l'exploitation de la vidéo, et optimisé pour en repousser les limites connues. Le volume à l'intérieur duquel la trajectoire doit être interpolée est d'environ 3x3x3=27 m3. II apparaît simplement que deux caméras de 300x300 pixel circonscrivent un tel volume en éléments de l'ordre 1 cm3. Cependant ce principe présente deux contraintes majeures: - disposer d'un recul suffisant et sans zone masquée pour que le champ de chaque caméra couvre le volume, - synchroniser et échantillonner la trajectoire pendant la traversée par le projectile du volume. Une balle de golf atteint une vitesse proche de 100 m/s. Un volume de 3mx3mx3m est traversé en environ 0.04 s soit le temps de récurrence d'une image vidéo. Avec une caméra classique, on ne peut envisager de relever qu'un point. De plus, pour une précision de 1 cm3, le temps de pause et la synchronisation ne doivent pas dépasser 0.000 Is. Avec une caméra standard, à 25 images par seconde, il n'apparaît pas possible de relever au moins trois points à lcm3 près nécessaires pour l'interpolation et l'extrapolation de la trajectoire. Ainsi selon l'invention, la trajectoire est échantillonnée selon des plans prédéfinis et non à l'intérieur de la totalité du volume. De plus, selon l'invention, il apparaît en raison de la nature balistique de la trajectoire, que la connaissance des coordonnées et des instants de traversée de deux plans dans le volume suffit pour interpoler et extrapoler la trajectoire. Des capteurs situés dans ces plans déterminent les coordonnées et instants de passages: Nous convenons de placer deux capteurs dans chaque plan, donc un total de quatre capteurs minimum. La mesure des paramètres (position, vitesse) de la balle se fait au passage du projectile à analyser dans deux plans parallèles approximativement perpendiculaires à la trajectoire de la balle. A deux coins opposés de chaque plan, on dispose un capteur qui va relever au passage du projectile, I'instant de passage et l'angle sous lequel le projectile est passé. Pour un plan donné, connaissant la position des capteurs l'un par rapport à l'autre, et la position angulaire du projectile, on peut déduire exactement ses coordonnées cartésiennes dans le plan de passage. Avec deux plans successifs, dont on connait l'écartement, on va pouvoir connaître le point exact de passage du projectile dans chaque plan ( donc dans l'espace ), et le temps de passge du projectile entre deux plans, donc sa vitesse. Ces informations permettent de remonter mathématiquement à la trajectoire complète du projectile. Principe: Dans le cadre de l'invention, nous décrivons plus particulièrement une mise en oeuvre des capteurs constitués de caméras barrette , plus généralement appelés capteurs linéaires . Un capteur linéaire est constitué de la juxtaposition de photodétecteurs alignés. Contrairement à une matrice CCD qui analyse une image bi-dimensionelle, le capteur linéaire n'analyse qu'un profil de luminance selon une coupe de l'environnement effectuée dans le plan contenant le capteur et le centre de l'objectif associé afin de constituer une caméra . La fréquence de renouvellement de l'analyse du profil lumineux relevé sur le capteur peut être élevée, elle correspond à la fréquence pixel divisée par le nombre de pixels alignés. Par exemple, si on tient compte du fait qu'une fréquence pixel de 10 à 30 Mhz peut être facilement atteinte, une barrette de 1024 pixels pourra être lue avec une fréquence de 10 à 30 Khz. La fréquence optimale de fonctionnement pour un projectile donné peut facilement être calculée par la relation Fréquence optimale = (vitesse maximale du projectile)/ ( taille minimum du projectile Pour un objet mesurant 4 cm, on a donc pour 30 KHz une vitesse maximum de passage 1200 m/s soit 4320Km/h. Acquisition et interpolation: Les quatre capteurs sont reiiés à une carte d'acquisition numérique qui va permettre de digitaliser et de scruter l'information du capteur CCD linéaire de la caméra. Lorsqu'une balle passe dans une barrière, on va détecter sur le capteur CCD une tache dont la position sera directement proportionnelle à la position angulaire du projectile dans la barrière. Informatiquement parlant, le projectile est perçu comme une succession d'octets dépassant une certaine valeur, par rapport à un seuil de base correspondant à l'environnement. Optimisation du contraste et de l'éclairage: Il est souvent difficile d'éclairer suffisamment l'environnement pour que le projectile soit bien distingable. Ceci peut également causer une gêne sur la mesure, ou pour les personnes devant accomplir la mesure. L'énergie pour éclairer le projectile peut également avoir besoin d'être importante. On peut tourner cette difficulté en optimisant l'éclairage et en réalisant des plans de lumière, parfaitement dans l'axe du capteur, grâce à des sources ponctuelles de lumière associées soit à des lentilles semi-cylindriques, soit à des lentilles de fresnel. Seconde optimisation de l'éclairage: Dans beaucoup de cas la lumière émise pour chaque capteur n'est pas suffisante pour éclairer suffisamment le projectile pour qu'il puisse être détecté. Dans ce cas on va analyser l'information en négatif; c'est à dire que l'on ne va pas regarder le projectile lui-même mais son ombre. Pour cet effet; on va disposer en face de chaque capteur une règle supportant une matière extrêmement réfléchissante. Le capteur est dans ce cas soit en permanence saturé de lumière, soit à un niveau proche de la saturation. Lorsque le projectile passe, on perçoit très distinctement son ombre. Dans ce cas, la source de l'éclairage est juxtaposée à la caméra et orientée dans le plan d'examen. Selon l'invention, il pourra même être utilisé pour couvrir la règle un matériau rétro réfléchissant tel qu'utilisé pour couvrir les panneaux de signalisation routière. Ainsi, le rétroréflecteur occupe le plan objet de la barette CCD et il sature celle-ci sauf à l'angle du passage du projectile. En relation avec la carte d'acquisition numérique, un calculateur: un micro-ordinateur par exemple, effectue les calculs de corrélation et d'interpolation pour reconstituer les points et instants de la trajectoire. REVENDICATIONS 1. Dispositif de trajectographie pour projectiles de dimensions modestes caractérisé en ce que - la trajectoire du projectile est relevée en au moins deux points et corrélée aux instants de détections, - ces points appartiennent à au moins deux plans disjoints, - en ce que chaque plan comporte des capteurs réalisants au moins deux mesures de positions angulaires instantanées du projectile lors de son franchissement du plan, - en ce que les dites mesures de position de franchissement et les instants de franchissements sont acquis et interpolés par un système informatique qui reconstitue la trajectoire par calcul. 2. Dispositif de trajectographie selon la revendication 1 caractérisé en ce que les dits capteurs sont des caméras linéaires constituées d'une barrette CCD dans le plan focal d'un objectif, la barrette et le centre de l'objectif appartenant au dit plan de mesure. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le système informatique est un micro-ordinateur du type compatible PC ou une station de travail à processeurs parallèles pourvu d'une carte d'acqusition numérique. 4. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que chaque plan de mesure pourvu d'au moins une caméra comporte également un éclairage juxtaposé à la caméra et une bande rétroréfléchissante en vis à vis de la caméra et de l'éclairage, la dite bande constituant le plan objet de la barrette CCD par rapport à son objectif associé, de telle sorte que le passage du projectile entraîne une ombre détectée par baisse de luminance par la caméra linéaire.