Brevet FR2806158A1 — publié le 20010914

PROCEDE POUR DETERMINER LA POSITION OU L'ORIENTATION D'UN OBJET A L'AIDE D'UN CHAMP MAGNETIQUE ET DISPOSITIF CORRESPONDANT Domaine technique L'invention a pour objet un procédé pour déterminer la position ou l'orientation d'un obj à l'aide d'un champ magnétique et un dispositif correspondant. La position recherchée peut être une abscisse, une ordonnée, une cote, etc-, et l'orientation un angle de tangage, de lacet ou roulis, etc... Par objet, on entend aussi bien corps, un appareil, un dispositif, un corps humain animal, ou même un point d'un corps, d'un appareil, d'un dispositif, d'un corps, humain ou animal etc... Les applications de l'invention sont nombreuses. On peut citer les applications industrielles comme le télécontrôle, la sécurité, le positionnement d'appareils, le repérage, etc... les applications multimédia nécessitant télépointeur, les applications de simulation (simulateurs de vol, etc...), les applications dans les loisirs, comme les jeux en temps réel nécessitant la capture de mouvements (tête, mains, doigts, corps expression faciale, accessoires, etc...), # les applications de production d'images de synthèse et d'édition de jeux vidéo comme l'animation de personnages (capture du mouvement humain ou animal ou d'un accessoire), la capture des mouvements de déformation d'un corps, le contrôle en temps réel d'environnement à trois dimensions, # les applications médicales comme mesure la position de sondes, endoscopes, cathéters, etc..., introduits dans corps humain, la simulation d'opérations, la navigation dans des structures anatomiques, # la biomécanique impliquant une analyse du mouvement humain ou animal. Etat de technique antérieure On connait déjà des procédes pour déterminer la position ou l'orientation d'un objet à l'aide 'un champ magnétique. Le document FR-A- 2 586 302 décrit, par exemple, un procédé dans lequel on équipe l'objet d'un dipôle magnétique constitué par un enroulement excité par un générateur de courant alternatif. Par ailleurs, on dispose des ensembles de mesure dans l'espace où est censé être situé l'objet, chaque ensemble comportant des magnétomètres directionnels aptes à mesurer la composante selon un axe du champ magnétique ambiant. On mesure à l'aide de ces ensembles les composantes du champ le long des axes et, en fonction du résultat de ces mesures, on calcule les coordonnées de l'origine/ du dipôle et les angles d'orientation du moment dipolaire. On peut aussi inverser cette disposition en fixant le capteur sur l'objet et en disposant le dipôle de manière fixe dans l'espace. Une telle technique se heurte à une difficulté lorsqu'on doit utiliser plusieurs sources de champ magnétique pour lever certaines ambiguïtés. faut alors en effet pouvoir distinguer, dans le champ global mesuré, les contributions respectives de chaque source. Pour faire cette distinction deux techniques ont éte proposées dans le document US-A-3 983 474, on procède multiplexage en n'alimentant qu'une source à la fois (ou qu'une combinaison connue de sources). Ceci permet de ne mesurer que l'effet de la source alimentée (ou de la combinaison de sources alimentées). En réalisant autant d'alimentations qu'il y a de sources (ou en réalisant autant de combinaisons indépendantes qu'il y a de sources), il est alors possible de remonter à la valeur du champ magnétique produit par chaque source. Ce procédé présente cependant l'inconvénient de réduire la fréquence de calcul, parce qu'il oblige à mettre en oeuvre la séquence d'alimentation à chaque instant où l'on désire connaître la position de l'objet. Or, cette séquence est d'autant plus longue que le nombre de sources est élevé. Il en résulte que la bande passante admissible de variation temporelle des paramètres cinématidues est d'autant plus faible que le nombre de sources est grand. - Dans le document W0/05 768, on utilise plusieurs canaux de fréquences différentes. Si 1 on utilise N sources, il faut pouvoir disposer de N fréquences libres dans l'espace ou l'on met en oeuvre le procédé, ce qui peut se révéler difficile dans des environnements perturbés. Par ailleurs, cette technique multifréquence ne peut, par définition, être employée dans des systèmes utilisant un champ continu. Cette technique est en plus très sensible au brouillage par des sources parasites travaillant sur des fréquences voisines du système. La présente invention a justement pour but de remédier à tous ces inconvénients. Exposé de l'invention A cette fin, l'invention préconise d'attribuer à chaque source de champ une identité à l'aide d'un code qui est imprimé au champ. Ce code constitue une sorte de "signature" qui va permettre, dans le capteur, d'identifier l'origine du champ ainsi, de restituer les contributions des différentes sources. De manière plus précise, la présente invention a pour objet un procédé pour déterminer position ou l'orientation d'un objet dans l'espace dans lequel - dans tout l'espace où est censé être situé l'objet produit un champ magnétiqu4 à l'aide d'une pluralité de N sources (N entier au moins égal à 1), - équipe l'objet d'un capteur magnétique, - traite le signal délivré par le capteur pour déterminer les contributions respectives de chacune N sources et l'on en déduit la position 1 orientation de l'objet, caractérisé en ce que - on code le champ produit par chaque source par code propre à cette source, les N différents codes affectés aux N différentes sources étant orthogonaux deux à deux, - obtient les N contributions respectives des N sources par décodages correspondants aux N codes utilisés dans les sources. Par capteur magnétique, on entend tout moyen apte à mesurer une ou plusieurs composantes d'un champ magnétique ou son module. Par "le signal délivré", on entend le ou signaux délivré (s) par le capteur. De préférence, les N codes utilisés dans les N sources sont constitués par N séquences binaires pseudo-aléatoires orthogonales deux à deux, les décodages étant alors des opérations de corrélation. Une séquence binaire pseudo-aléatoire est constituée d'une suite de 0 et de 1 (ou de -1 et de 1), cette suite n'étant pas périodique. Chaque élément de cette séquence a une durée T,,. La longueur Ts d'une séquence est quelconque mais prédéterminée. Elle est la même pour toutes les sources. Le , nombre d'éléments de la séquence est le quotient de TS par T.. Le champ magnétique créé peut être la composante magnétique d'un champ électromagnétique, auquel cas les sources sont des sources de champ électromagnétique. La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce dispositif comprend des moyens aptes à effectuer les opérations définissant le procédé. Dans les définitions de 1 invention qui précèdent, la conjonction "ou" utilisée dans l'expression "la position ou l'orientation", est inclusive, c'est-à-dire qu'elle couvre cas où l'on détermine soit la position de l'objet, soit son orientation, soit les deux à la fois. Brève description des dessins la figure 1 illustre la production d'un champ magnétique qui est codé par une séquence d'identification pseudo-aléatoire et qui est modulé par une porteuse ; la figure 2 illustre les traitements de démodulation et de décodage correspondants ; - la figure 3 montre, de manière schématique, une installation mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Description de modes particuliers de mise en oeuvre Dans la description qui suit, on considérera des codes constitués de séquences binaires pseudo aléatoires. Mais l'invention ne se limite pas à ce seul cas et englobe tous les codes pouvant présenter entre eux une certaine orthogonalité par rapport à une certaine opération. Dans cas des séquences pseudo- aléatoires, cette opération est la corrélation, opération que l'on rencontre fréquemment dans le traitement de signal. Sur la figure 1, on voit une source Si comprenant un circuit d'alimentation Ai et un bobinage Bi. L'indice i désigne rang compris entre 1 et N (inclus). Le circuit comprend un générateur de courant 10, un générateur de séquence pseudo-aléatoire 12, un multiplicateur 14, un générateur d'onde porteuse 16, et un multiplicateur 18. Le courant produit par le générateur 10 est noté ai(t) et la séquence seqi(t). La sortie du multiplieur 14 est notée mi (t). On a donc mi (t) = ai (t).seqi(t) La séquence (t) est propre à chaque source. Pour pouvoir distinguer les sources les unes des autres, on utilise famille de séquences orthogonales deux à deux au sens de l'opération de corrélation. Si la séquence binaire a une densité spectrale de puissance quasi-blanche, le spectre du champ produit par la source va se trouver étalé autour d'une fréquence centrale (qui peut éventuellement être nulle). Cette technique s apparente donc à celle de l'étalement de spectre. Le signal mi( ainsi obtenu est ensuite modulé dans le circuit 18 par la porteuse p(t) délivrée par le générateur 16 pour ddnner le courant définitif si(t) si (t) =mi (t) .9(t) La porteuse p (t) est de préférence la même pour toutes les sources. Le courant si ) alimente 1 enroulement Bit lequel produit alors un champ magnétique Hi codé par la séquence utilisée. L'amplitude ai (t) du courant délivré par le générateur 10 peut être constante lentement variable. Dans cette dernière hypothèse, on peut contrôler l'intensité du champ magnétique pour obtenir un rapport signal sur bruit optimal. A égard, on peut utiliser la technique décrite dans document WO 41119. Les N sources Si ainsi constituées (i allant 1 à N), sont réparties dans l'espace où est censé se trouver l'objet à repérer. Elles produisent en chaque point de cet espace un champ magnétique qui est la somme de tous les champs Hi produits en point. Ce champ total doit être lié sans équivoque à ce point. La pluralité de sources permet d'obtenir ce résultat et de lever toute ambiguïté. La figure 2 illustre les moyens de mesure champ en un point et le traitement effectué. Ces moyens comprennent d'abord un capteur magnétique 20 fixé sur l'objet dont on veut mesurer la position ou 'orientation. Ce capteur reçoit tous les champs Hi produits par les différentes sources. Il peut être directionnel, c'est-à-dire sensible au champ magnétique selon M directions (par exerhple les trois directions définies par un trièdre trirectangle Oxyz). En principe, trois directions suffisent, mais on pourrait en utiliser davantage pour obtenir certaine redondance. Ce capteur délivre ainsi M signaux Cj(t) où j désigne un rang (j allant de 1 à M). moyens représentés comprennent ensuite des circuits de traitement CTi,j avec chacun un générateur porteuse 321,j, un multiplieur 341,j, un générateur de séquence pseudo-aléatoire 361,j, un multiplieur 381,j. Le générateur 321,j engendre une porteuse p(t), qui va servir à la démodulation du signal Cj(t). générateur 361,j délivre une séquence pseudo-aléatoire seqi(t) correspondant à la séquence seqi(t) utilisé dans la source de rang i. Le multiplieur 38i- réalise le décodage du signal et délivre un signal si,j(t) correspondant à la source de rang i et à composante ' du champ mesuré par le capteur. Les MN signaux démodulés et decodés si, j(t) i de 1 à N, j de 1 à M) sont ensuite appliqués à un circuit d'estimation 40, qui va donner la position ou 'orientation, ou la position et l'orientation de l'objet. La figure 3 illustre un exemple de mise en oeuvre où l'on utilise trois sources de champ et un capteur mesurant les trois composantes du champ selon trois directions Ox, Oy, Oz. On a donc N=3 et M=3, soit 3 séquences pseudo-aléatoires orthogonales et 9 opérations de démodulation et décodage. L'ensemble de la figure 3 montre ainsi - trois sources S1, S2, S3 composées chacune d'une alimentation Al, A2, A3 et d'un bobinage B1, B2, - capteur magnétique 20, fixé à un objet non représenté, ce capteur étant directionnel et délivrant trois signaux C,(t), Cy(t) et CZ(t) représentant les trois composantes du champ magnétique global selon trois axes Ox, Oy, Oz ; - trois circuits de traitement 30,, 30y, 302 recevant respectivement les signaux CX(t), ), CZ(t), chacun de ces circuits comprenant trois circuits analogues au circuit CTi,j illustré sur la figure 2, à savoir CT, CT2,X CT3,X pour ce qui est de la composante selon Ox(seul le circuit 30,, est détaillé la figure 3) ; - un circuit 40 mettant en oeuvre un algorithme de localisation ou de détermination de l'orientation (ou les deux) de l'objet à partir des 3x3=9 signaux qu'il reçoit. Dans la description qui précède, le nombre de sources est égal à 3 mais cette disposition n'est en rien limitative. On peut, dans certains cas, n'utiliser qu'une seule source, le code servant alors à faciliter la détection du champ dans un milieu ambiant difficile. La corrélation sera toujours mise en oeuvre et permettra de distinguer le champ utile des champs parasites, qui, sans le codage-décodage, viendraient I perturber la mesure. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer la position ou l'orientation d'un objet dans l'espace, dans lequel dans tout l'espace où est censé être situé l'obj on produit un champ magnétique (Hi) à l'aide d'une pluralité de N sources (Si) (N entier au moins égal à 1), on équipe l'objet d'un capteur magnétique (20), - on traite le signal (Cj(t)) délivré par le capteur (20) pour déterminer les contributions respectives de chacune des N sources (Si) et l'on en déduit la position ou l'orientation de l'objet, caractérisé en ce que on code le champ (Hi) produit par chaque source (Si) par un code propre à cette source, les N différents codes affectés aux N différentes sources étant orthogonaux deux à deux, on obtient les N contributions respectives des N sources par décodages correspondants aux N codes utilisés dans les sources. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les N codes utilisés dans les N sources sont constitués par N séquences binaires pseudo-aléatoires (seqi(t)) orthogonales deux à deux, les décodages étant alors des opérations de corrélation. 3. Procédé selon la revendication 2, dans i lequel on effectue en outre, dans chaque source, une modulation sinusoïdale du champ et, dans lequel on effectue, dans les moyens de traitement, une démodulation correspondante. . Procédé selon la revendication 1, dans lequel, dans le capteur (20), on mesure M composantes du champ selon M directions différentes (0x, Oy, Oz) (M entier au moins égal à 1) et l'on effectue les N décodages chacune des M composantes pour obtenir les N contributions des N sources (Si) à chacune de ces M composantes. . Procédé selon la revendication 1, dans lequel le champ magnétique produit par les sources est la composante magnétique d'un champ électromagnétique, les sources étant alors des sources de champ électromagnétique. . Dispositif pour déterminer la position ou l'orientation d'un objet dans l'espace mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, comprenant - dans tout l'espace où est censé être situé l'objet une pluralité de N sources (Si) de champ magnétique (Hi) (N entier au moins égal à 1), - un capteur magnétique (20) équipant l'objet, - des moyens de traitement du signal (Cj(t)) délivré par le capteur (20), ces moyens étant aptes à déterminer les contributions respectives de chacune des N sources (Si) et pour/en déduire la position ou l'orientation de l'objet, caractérisé en ce qu'il comprend en outre - des moyens pour coder le champ (Hi) produit chaque source (Si) par un code propre à cette source les N différents codes affectés aux N différentes sources étant orthogonaux deux à deux, des moyens de décodage du champ à l'aide des N codes pour obtenir les N contributions respectives sources. 7. Dispositif selon la revendication 6 dans lequel les N codes utilisés dans les N sources sont constitués par N séquences binaires pseudo-aléatoires (seqi(t)) orthogonales deux à deux, moyens de décodage étant alors des moyens de corrélation. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel chaque source comprend un générateur de porteuse (16) et, dans lequel les moyens de traitement comprennent des moyens de démodulation correspondante. 9. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le capteur (20) mesure M composantes du champ selon M directions différentes (0x, Oy, ) (M entier au moins égal à 1) et dans lequel les moyens de traitement comprennent des moyens pour effectuer N décodages sur chacune des M composantes et délivrent les N contributions des N sources (Si) à chacune de ces M composantes.