Brevet FR2833342A1 — publié le 20030613

DISPOSITIF DE MESURE DE POSITION, D'ORIENTATION ET DE TRAJECTOIRE D'UN OBJET SOLIDE La présente invention se rapporte à un dispositif de mesure de position, d'orientation et de trajectoire d'un objet solide. Les systèmes de mesure de position jouent un rôle primordial dans un grand nombre d'applications industrielles (métrologie, contrôle industriel, robotique, etc). Leur précision, leur dynamique, leur robustesse, leur coût, leurs conditions d'utilisation, sont autant d'éléments déterminants. Le coût d'un tel système dépend de la précision et de la dynamique voulue. Les systèmes de mesure de position traditionnels sont très variés. Les deux grandes classes sont les systèmes : Mécaniques + Palpeurs et règles : C'est la solution la plus classique. Elle est potentiellement très précise mais coûteuse pour des grandes dynamiques, et d'emploi malaisé. + Accéléromètres : La précision de mesure d'accélération étant de lug, il apparaît des problèmes de dérive avec le temps de mesure (environ 1 cm/minute) qui peuvent être gênantes. Optiques + Triangulation stéréoscopique avec plusieurs caméras : La précision de mesure est liée à l'ouverture des caméras. Cette solution est donc coûteuse en matériels optiques de bonne qualité. + Télémétrie laser : Imprécis pour les distances considérées (d'environ 1 mètre). + Roues codeuses optiques : Utilisées largement en robotique, c'est une solution précise, fiable, mais coûteuse. + Interférométrie : Tous ces procédés sont très précis mais sont adaptés à des mesures de déplacements de l'ordre de la longueur d'onde. Les problèmes d'ambiguïté des déroulements de franges ne sont toujours pas résolus. Projection d'un réseau lumineux (franges ou mires) sur l'objet : Solution potentiellement précise mais un problème d'ambiguïté subsiste pour un déplacement supérieur au pas des franges. Avec un déplacement de 10cm par seconde et un pas de 100um, la cadence d'acquisition permettant de compter les franges doit être supérieure à 200 kHz, ce qui nécessite l'utilisation d'une caméra ultra-rapide et donc coûteuse. De tous ces systèmes, aucun ne permet d'allier précision, grande dynamique, et faible coût. L'invention a pour objet un dispositif de mesure de position, d'orientation et de trajectoire d'un objet mobile, dispositif qui soit de bas prix de revient et permette de faire des mesures avec une grande dynamique et une haute précision. Le dispositif de mesure conforme à l'invention comporte au moins deux dispositifs de génération de champs aléatoires optiques illuminant toute la zone dans laquelle peut se déplacer l'objet mobile, au moins un dispositif de mesure de champ local solidaire de l'objet mobile, relié à un dispositif corrélateur numérique auquel est relié un dispositif de mémorisation des caractéristiques desdits champs aléatoires, le dispositif corrélateur étant relié à un dispositif de détermination des coordonnées desdits dispositifs de mesure. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : la figure 1 est un schéma expliquant la façon de produire un champ de tavelures et montrant des caractéristiques de ces tavelures ; la figure 2 est un bloc-diagramme d'un exemple de réalisation simplifié du dispositif de l'invention ; et la figure 3 est un schéma simplifié d'un dispositif de mesure conforme à l'invention utilisant un crayon optique)). L'objet de l'invention est un processus permettant d'abord de référencer la position et l'orientation absolues d'un objet mobile. A cet effet, l'invention prévoit de faire déplacer cet objet dans au moins deux champs aléatoires de lumière. De préférence, ces champs sont de type z speckle (champs de tavelures). Ces champs sont référencés et enregistrés au préalable, sous forme électronique. En effet, il est facile aujourd'hui, grâce au bas coût du stockage numérique, d'enregistrer les données relatives à un champ lumineux sur une surface d'environ 1 m2 avec une précision de 100 um (ce qui correspond à 10 échantillons de 8 bits, soit 100 M Octets de données). La dynamique mesurable du positionnement de l'objet mobile est alors directement liée à la capacité de stockage utilisée. De plus, grâce aux propriétés de granularité des speckles, un positionnement relatif de l'objet mobile effectué entre les acquisitions de ses positions absolues successives accroît significativement la précision de mesure. Le positionnement par rapport au champ de speckle de référence fournit une moins bonne précision que le positionnement relatif, mais corrige les dérives des mesures relatives. L'objet à positionner est équipé de 1,2 ou 3 détecteurs lumineux (par exemple des détecteurs CCD) permettant respectivement de positionner dans l'espace un, deux ou trois points de cet objet. On a schématiquement représenté en figure 1 les différents paramètres d'un champ de speckle . Ce champ est créé par un faisceau d'illumination en éclairage cohérent 1 d'une surface diffusante 2 (par exemple un verre dépoli). Cette surface est supposée circulaire, de diamètre d. L'axe du faisceau 1 est sensiblement perpendiculaire à la surface 2, et passe par son centre. Un grain de speckle moyen 3, supposé de forme elliptique, se trouve formé à la distance L de la surface diffusante 2. Les dimensions caractéristiques de ce grain 3 sont statistiquement bien connues d'après les lois de la diffraction dans l'espace libre ; X étant la longueur d'onde du faisceau 1, ces dimensions du grain sont UJ'/d seion ! e grand axe de l'ellipse (aligné avec le faisceau 1) et 2SUd pour le petit axe. On a représenté en 4 un exemple de figure de speckle (tel que pouvant être observé en aval de la surface 2 sur un écran). les caractéristiques des champs de speckles sont connues par exemple d'après Topics in Applied Physics, Vol 9, Laser Speckle and Related Phenomena de J. C. Dainty, chez l'éditeur Springer Verlag. Le champ de référence est créé en illuminant séparément deux diffuseurs (tels que la surface 2) temporellement stables, chacun par une source de lumière cohérente telle qu'un laser. On obtient alors un champ de référence à deux composantes. L'objet mobile en question peut être illuminé en réflexion ou en transmission (cette dernière possibilité est préférable pour des questions de stabilité des caractéristiques optiques). Le champ de speckle ainsi créé constitue une référence de positionnement dans l'espace du fait de l'hétérogénéité statistique des formes et dimensions de ses grains. Il est donc possible de déterminer le positionnement d'un objet mobile dans ce champ si l'on a préalablement cartographié les deux composantes de ce champ de référence. La cartographie de ces deux composantes est établie une fois pour toutes à la résolution désirée (en relevant les coordonnées des contours des grains de speckle) et est stockée numériquement sur un support informatique approprié (CD-R ou disque dur, par exemple). Le champ de speckle peut ainsi être connu dans un volume donné, mais la mesure du champ complexe du speckle dans un plan suffit, les valeurs du champ dans les autres plans étant déterminées par propagation numérique du speckle. Un champ de speckle est caractérisé par la taille et l'orientation caractéristique de sa fonction d'autocorrélation en trois dimensions, autrement dit par la taille d'un grain de speckle. Cette taille est donnée par la loi de la diffraction dans l'espace, comme précisé en référence à la figure 1. La cartographie d'un plan orthogonal à la surface diffusante (2) permet un référencement dans ce plan avec une précision meilleure que la dimension transverse d'un grain de speckle. Pour effectuer la mesure de la position et de l'orientation d'un objet, on fixe sur celui-ci deux ou trois matrices de photodétecteurs (par exemple des matrices CCD ou CMOS). Ces matrices sont disposées de façon à recevoir constamment le champ de speckles et sont suffisamment éloignées les unes des autres pour obtenir une bonne précision de mesure. Le maximum de la fonction d'intercorrélation 2D du champ détecté par chacune de ces matrices à partir d'un champ de speckle référencé donne la position de l'objet dans un plan XOY parallèle à la surface diffusante, ce qui fournit donc deux paramètres de position de cet objet. Cette intercorrélation est calculée de façon connue en soi, par un calculateur numérique. On a illustré en figure 2 ce processus de mesure. Une source laser 5 illumine orthogonalement une surface circulaire diffusante 6 en son centre. Une matrice 7 de photodétecteurs de type CCD est fixée sur l'objet en question (non représenté) et ce dernier est manipulé de façon que la surface sensible de la matrice soit toujours sensiblement parallèle à la surface diffusante 6 et tournée vers cette dernière. Un corrélateur numérique 8 reçoit les informations de la matrice 7 d'une part, et d'une mémoire 9 dans laquelle sont mémorisées les données relatives au champ de speckle ainsi créé (topologie des grains et coordonnées correspondantes). Lorsque le corrélateur 8 détermine un pic d'intercorrélation entre les informations qu'il reçoit de la matrice et des données de la mémoire 9, il transmet les coordonnées d'un point caractéristique de la matrice (par exemple son centre) tel qu'il a été préalablement enregistré pour la même configuration de speckles. On produit deux champs de speckle en plaçant deux sources de lumière cohérente éclairant deux diffuseurs dont les axes optiques sont convergents et font entre eux un angle dont la valeur minimum est fixée par la précision de mesure désirée dans la direction de l'éloignement par rapport aux deux sources. Ainsi, pour une précision sensiblement identique dans toutes les directions, cet angle est, de préférence, compris entre 40 et 60 , alors qu'une valeur de 20 se traduirait par une imprécision trois fois plus grande dans la direction de l'éloignement que dans les deux autres directions. On dispose sur l'objet plusieurs matrices de détecteurs, chaque matrice de détecteurs fournit quatre paramètres de mesure pour une position donnée de ces matrices. On peut alors facilement déterminer avec redondance la position dans l'espace de chacune de ces matrices, dans un repère fixe par rapport aux surfaces diffusantes. Les temps de calcul des calculateurs courants (type PC) actuels ne permettent pas encore d'effectuer des mesures en temps réel (en particulier même pour un déplacement relativement lent de quelques cm. s), la mesure se fait a posteriori. Pour faciliter le traitement logiciel des données fournies par les détecteurs, on oriente ceux-ci de préférence dans la même direction, ce qui permet d'avoir le même angle de rotation pour ces détecteurs. Pour que la détermination du pic d'intercorrélation soit sans ambiguïté, il faut que l'amplitude de ce pic soit environ sept fois plus importante que l'amplitude (en valeur efficace) du bruit d'intercorrélation, soit un rapport signal/bruit de 17 dB en puissance. Or, ce rapport est lié au nombre de modes indépendants dans le champ intercepté par une matrice, c'est-à-dire au nombre Ns de grains de speckles ainsi interceptés. Le rapport signal/bruit est sensiblement égal à X en amplitude, si l'on néglige le bruit aléatoire de mesure. Il faut donc que la matrice de détecteurs intercepte au minimum 50 grains de speckle pour que la mesure de position puisse se faire sans ambiguïté. La position du pic d'intercorrélation est interpolée, afin de déterminer le plus précisément sa valeur. Il est communément admis que la précision de positionnement de ce pic est égale à 1/100e de pixel si le rapport signal/bruit est bon (17 dB comme précisé ci-dessus). L'amplitude et la forme du pic d'intercorrélation dépendent de l'orientation de la matrice de détecteurs. Une rotation d'un angle 8 de cette matrice par rapport à sa position angulaire idéale (parallèle à la surface diffusante) induit une distorsion affine de la mesure par rapport au champ référencé. Cette distorsion induit à son tour une distorsion du pic de la même quantité. Heureusement, cette distorsion n'est fonction que de cos 8, ce qui fait que si 6 est inférieur à 30 , la distorsion est négligeable. Le pic d'intercorrélation est sensible également à la distance entre la matrice et la surface diffusante. La tolérance sur la position de la matrice sur l'axe Z (voir figure 2) est fonction de la taille longitudinale des grains de speckle. Par exemple, pour un champ de speckle créé par une source laser à la longueur d'onde de 633 nm, avec des grains de dimension transversale de 100 um environ, la dimension longitudinale est d'environ 60 mm. L'influence de ce paramètre n'est donc pas très importante sur les caractéristiques du pic. De plus, on peut calculer d'autres plans de formation de speckles à partir des données d'un champ complexe mesuré, ce qui permet de choisir un plan approprié à la position des matrices dans l'espace. En conclusion, l'incertitude sur la position de l'objet portant les matrices de détecteurs dépend de la base d'observation, c'est-à-dire de l'angle formé par les normales aux deux surfaces diffusantes, et de l'orientation des matrices de détecteurs par rapport à cette base d'observation. Selon un aspect avantageux de l'invention, il est prévu de fournir à l'utilisateur plusieurs bases possibles d'orientation et de distance aux diffuseurs, afin d'adapter le système à la précision de mesure souhaitée. L'orientation des deux surfaces diffusantes n'a pas besoin d'être connue précisément si on effectue une calibration avant la mesure, ce qui est rendu possible grâce auxdites redondances des mesures. Une analyse mathématique rigoureuse montre qu'en déplaçant un capteur sur une trajectoire aléatoire, il est possible de positionner exactement les diffuseurs l'un par rapport à l'autre, à un facteur d'homothétie près. Dans l'application à un crayon , décrite ci-dessous en référence à la figure 3, la connaissance précise de la distance séparant deux capteurs de ce crayon permet de lever cette incertitude liée au facteur d'homothétie. Dans le cas de la mesure d'une trajectoire de l'objet en question, si la mesure de position et d'orientation de cet objet à l'aide d'un champ de speckle de référence offre une précision limitée par plusieurs paramètres (l'orientation absolue des détecteurs, leur distance par rapport aux plans de référence et d'autres facteurs évoqués ci-dessus), il est possible de déterminer complémentairement la position relative d'un détecteur lié à l'objet en question, d'une acquisition de mesure à la suivante, s'il existe un recouvrement entre les images interceptées par ce détecteur pour ces acquisitions successives. Dans ce cas, la précision de mesure est bien meilleure, car il peut y avoir moins de disparités entre les mesures relatives qu'entre des mesures absolues non liées entre elles. Une telle mesure complémentaire peut servir à affiner la mesure absolue faite à partir du champ de référence. On a représenté en figure 3 un schéma d'une application du dispositif de l'invention, pour la mesure de la trajectoire d'un"crayon" optique. Un"crayon"optique 11 est équipé d'une pointe 11 A de télémétrie optique produisant un faisceau 12 focalisé en un point F. Ce crayon 11 est manipulé de façon à faire suivre au point F le contour de la pièce 13 (ou toute partie de cette pièce dont on veut relever la topographie). On fixe sur le crayon 11 deux matrices de détecteurs CCD 14,15 qui sont illuminées par deux champs de speckles produits par deux générateurs 16,17. Ces générateurs 16,17 sont réalisés de la façon décrite ci-dessus. Leurs axes (normales à leurs surfaces diffusantes) 16 A, 17 A respectivement, convergent en un point P et font entre eux un angle A d'environ 20 . La disposition relative des générateurs 16,17 et du crayon 11 est telle que lorsque ce crayon se déplace, les détecteurs 14, 15 sont toujours le plus proches possible du point P. La trajectoire du crayon, c'est-à-dire son déplacement relatif, est obtenue à partir de ses coordonnées successives (calculées par un dispositif de calcul tel que le dispositif 10 de la figure 2) qui sont traitées par un logiciel approprié. On obtient ainsi les informations sur la pièce 13 analysée, par exemple son contour, qui peuvent être affichées sur un écran. Selon un exemple d'application, l'acquisition des coordonnées successives du crayon se fait sur environ 10 cm. La position et l'orientation du crayon doivent être connues avec une précision comprise entre 1 et 10 um sur toute la longueur de sa trajectoire. La distance entre le crayon et l'objet 13 doit être maintenue fixe à 15 mm près (afin que le point de convergence F de son faisceau de détection soit bien focalisé sur la surface à explorer). Dans un exemple de réalisation du dispositif de mesure de l'invention, la source laser du générateur de speckle avait une puissance de 30 mW à la longueur d'onde de 650 nm. Les surfaces diffusantes étaient en verre dépoli, éclairé par transmission. Il faut remarquer ici que la fonction angulaire de diffusion de ces diffuseurs n'est pas isotrope. La diffusion est concentrée angulairement autour de l'ordre zéro du faisceau laser d'éclairage, de manière que 90% environ de l'énergie lumineuse soient concentrés dans le champ de speckle analysé. Le diffuseur et le laser sont liés rigidement. L'angle A entre les deux surfaces diffusantes était de 20 , afin d'éviter une trop grande distorsion des pics de corrélation. La distance entre les diffuseurs et le crayon était d'environ lm. La dimension moyenne des grains de speckle au niveau du crayon était de 100 um transversalement et de 60 mm longitudinalement, soit un éclairage du diffuseur sur une surface d'environ 6 mm2. La surface d'analyse du champ de speckles était de 0,25 m2. Chacun des détecteurs du crayon avait les caractéristiques suivantes : matrice carrée de 256 X 256 pixels, taille des pixels : 10 pm, rendement quantique : 0,8, échantillonnage du signal vidéo sur 8 bits, obturateur électronique à temps d'intégration de 0, 1 ms (pour autoriser des mouvements du crayon allant jusqu'à 1 m/s), cadence vidéo de 1 kHz, bruit de lecture de 1000 photo-électrons. Un filtre interférentiel supprimait la lumière blanche environnante. Les contraintes imposées au maniement du crayon pour effectuer des mesures optimales étaient les suivantes : initialement, le crayon était orienté de telle façon que les détecteurs soient face aux surfaces diffusantes (pour éviter au maximum les distorsions), et au cours de la mesure, les surfaces des détecteurs ne devaient pas tourner d'un angle de plus de 30 par rapport à leur orientation initiale. La mesure préalable du champ de référence est effectuée en une seule fois par holographie électronique en laboratoire, à l'aide d'une caméra performante et de moyens de translation précis pour assurer les déplacements de cette caméra. On peut ainsi relever le champ complexe de speckle, et donc obtenir par un calcul de propagation de faisceau la connaissance en volume du speckle. Ainsi, par exemple, pour une surface de mesure de 0,25 m2 et une dimension de grains de speckle de 100 um, te champ complexe est stocké sous forme d'images 64X64 pixels complexes, en 16 bits, la dimension des pixels étant de 50 um. L'échantillonnage a alors lieu sans perte d'informations. La taille mémoire du support d'enregistrement nécessaire est de 50 Moctets par diffuseur, soit 100 Moctets pour deux diffuseurs. Pour le même exemple de réalisation que ci-dessus, on trouve que le nombre de photo-électrons intervenant pour le calcul d'un pic de corrélation est de 2400 environ, le bruit de lecture étant de 1000 photo- électrons, ce qui fait que le rapport signal/bruit pour chaque pixel est de 7 dB en puissance. Avec la matrice de détection de 256X256 pixels et des grains de speckle d'un diamètre de 100 um, on intercepte en moyenne 25X25 gains de speckle, et le rapport signal/bruit du pic d'intercorrélation, sans distorsion, est donc de 28 dB, ce qui assure une détection du pic sans ambiguïté. Le rapport signal/bruit du pic de corrélation est de plus de 60 dB, ce qui assure que la position du pic peut être obtenue à 1 % de sa largeur, soit à 1 pm près. Les mesures relatives de position entre chaque trame vidéo n'ont pas besoin d'être corrigées en fonction de la rotation du crayon, car cette rotation peut être considérée comme négligeable en l'espace de 1 ms. Le calcul de la trajectoire du crayon est effectué a posteriori. Etant donné les dimensions relatives des grains de speckle et des pixels, un pré-traitement en temps réel des images est effectué afin de les réduire à des images de 64X64 pixels, sans perte d'informations. Pour une minute d'acquisition vidéo, le nombre d'images à stocker en provenance de chaque matrice CCD est de 60000, à moins que l'on ne dispose de moyens de calcul performants permettant de calculer en temps réel les déplacements relatifs des images. Dans ce cas, il suffirait de stocker seulement une image sur M (avec 1 0 On peut mettre en oeuvre) le programme suivant pour analyser les données fournies par chaque détecteur : Pour les deux détecteurs, effectuer : Recherche de la première image parmi le champ de speckle de référence. On se donne un domaine de recherche de quelques centimètres. Temps de calcul : 40 corrélations (5ms chaque) + 20 rotations (1 ms chaque) A) Pour chaque nouvelle image de chaque détecteur, calculer la position des pics d'intercorrélation avec l'image précédente. Temps de calcul : 10 ms par logiciel. Ce temps pourrait être diminué d'un ordre de grandeur en calculant cette intercorrélation à l'aide de processeurs FFT dédiés. Une image sur M, effectuer : B) Pour chaque angle 8 = [-10, 0, + 10] Calcul de la nouvelle matrice de rotation par rapport à la référence. C) Pour chaque détecteur - Rotation de l'image de 8 par rapport à la précédente. - Recherche des 4 pics de corrélation dans un intervalle donné Fin de boucle C Fin de boucle B Interpolation sub-pixel des deux pics trouvés. Estimation de la nouvelle trajectoire et du nouveau domaine de recherche Fin de boucle A On calcule la trajectoire par recalage grossier (50 um) des positions sur les champs de référence, puis par affinage avec les données de positions relatives. Temps de calcul par incrémentation : - 3 rotations de l'image au plus proche voisin = 3 ms - calcul de 12 corrélations = 60 ms - Une interpolation "sub-pixel" serait négligeable si l'on procédait par interpolation simple (polynomiale ou barycentre) Le temps de calcul par incrément est inférieur à 100 ms Si M > 100, le calcul est donc faisable pendant l'acquisition. Le temps de calcul total est donc limité par le traitement des déplacements relatifs (10 ms chaque). Il est donc important de pouvoir faire ce calcul par processeur dédié pour diminuer ce temps de calcul. Dans ce cas, le traitement durerait moins d'une minute. Dans le cas contraire, il faudrait compter 10 fois plus de temps de traitement que de temps d'acquisition. Une autre solution si les mouvements sont lents consiste à espacer les mesures relatives et donc diminuer le nombre de mesures. REVENDICATIONS 1-Dispositif de mesure de position, d'orientation et de trajectoire d'un objet solide, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux dispositifs de génération de champs aléatoires optiques (5,16, 17) illuminant toute la zone dans laquelle peut se déplacer l'objet mobile (11), au moins un dispositif de mesure de champ local (7, 14, 15) solidaire de l'objet mobile, relié à un dispositif corrélateur numérique (8) auquel est relié un dispositif de mémorisation (9) des caractéristiques desdits champs aléatoires, ce dispositif corrélateur étant relié à un dispositif (10) de détermination des coordonnées dudit (desdits) dispositifs de mesure. 2-Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les champs aléatoires sont des champs produits par des diffuseurs éclairés par un faisceau cohérent (1-2,5-6, 16-17). 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les axes optiques des diffuseurs sont convergents (P) et font entre eux un angle d'environ 200. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les générateurs de"speckle"comportent une source de lumière cohérente (1,5) illuminant une surface diffusante (2, 6) 5 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dispositifs de mesure de champ local sont des matrices de photodétecteurs (7,14, 15). 6 - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'objet mobile est un"crayon"optique (11) sur lequel sont fixés deux dispositifs de mesure de champ optique local (14,15). 7- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au cours des déplacements du"crayon", celui-ci est maintenu de façon que le point de convergence (P) des axes optiques des deux générateurs de "speckle"soit maintenu sensiblement équidistant des deux dispositifs de mesure de champ optique (14, 15).