Brevet FR2878038A1 — publié le 20060519

L'invention concerne un système de localisation d'un objet dans un espace et plus particulièrement d'un objet mobile dans un volume. Notamment, on cherche à réaliser un système de localisation d'un ou plusieurs objets dans un espace (1 à 1000 m3, en intérieur ou extérieur) avec une grande précision (millimétrique ou submillimétrique). La vitesse d'analyse doit être assez rapide entre 1 et 100Hz et le coût du système doit être raisonnable (moins de 100 kEuros). Il convient de pouvoir installer sur le(s) objet(s) une cible active à condition qu'elle soit compacte et qu'elle ait une autonomie de fonctionnement autonome suffisante. Les applications sont, par exemple, les suivantes: - Guidage de personnes ou de robots - Localisation spatiale d'un casque de réalité augmentée Localisation de modèles réduits dans un bassin d'essai sur un plan d'eau ou dans l'eau. Les solutions existantes pour localiser un objet dans l'espace sont les suivantes: - La vidéométrie consiste à utiliser au moins deux caméras analysant l'objet sur lequel est placé au moins une cible caractéristique (croix, mire...). Un système de traitement d'image repère la cible et son orientation dans chacune des images. Ensuite, à partir des données obtenues, le système reconstruit la position du centre de gravité (X, Y, Z) et angulaire (A, 0, p) de l'objet. Les caméras ont typiquement une définition de l'ordre de 1000x1000 points et une cadence inférieure à 50Hz. Le champ analysé est d'environ 2m x 2m x 2m avec une précision de l'ordre du millimètre. Les caméras doivent être positionnées très précisément entre-elles et nécessitent une calibration complexe. - D'autres systèmes prévoient l'utilisation de centrales à inertie éventuellement complétées par un autre moyen de localisation comme la triangulation par ondes ultrasonores ou par GPS (guidage par satellite) permettant de localiser ut. objet dans l'espace. Par exemple, un système utilisant une centrale inertielle mettant en oeuvre un gyromètre à fibre optique et un accéléromètre trois axes combinés à des faisceaux acoustiques permet une localisation très précise sous l'eau. Ce système est limité à une utilisation sous-marine. I1 impose une masse embarquée importante et est extrêmement coûteux (>100 kEuros/objet). - Dans d'autres systèmes, l'utilisation d'au moins deux balises DGPS (GPS différentiel à haute précision) et d'un système de transmission radio ou optique peut permettre également de localiser un objet dans l'espace avec une grande précision. Le volume analysé doit pour cela être accessible aux ondes radio GPS, ce qui est rarement le cas de zones à l'intérieur de bâtiments se comportant comme des cages de Faraday car constitués d'armatures métalliques (tôles, poutres métalliques, armatures du béton armé...). Une solution consistant à recréer des émetteurs GPS intérieurs est même expérimentée actuellement en laboratoire mais elle :3 s'avère très complexe et nécessite de lourds développements. L'invention four:-lit un système permettant de résoudre ces inconvénients. L'invention concerne donc un système de localisation permettant de localiser un objet situé dans un espace défini par un premier, un deuxième et un troisième axe orthogonaux encre eux. Ce système comprend: au moins une première source lumineuse associée à l'objet, pouvant tourner autour d'un quatrième axe pouvant être parallèle audit troisième axe et émettant au moins un faisceau lumineux, au moins trois balises situées dans 15 l'espace et portant chacune au moins un photodétecteur de rayonnement lumineux, un circuit de contrôle central connecté au photodétecteur des différentes balises et recevant de ces photodétecteurs, des signaux correspondant aux différents faisceaux qu'ils détectent, ledit circuit de contrôle central calculant la position de l'objet par rapport aux balises. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, chaque balise comporte au moins deux photodétecteurs alignés selon une direction parallèle au troisième axe. De plus, selon ce mode de réalisation, la source émet un faisceau lumineux plat dont le plan est parallèle au quatrième axe et tournant de façon uniforme autour de ce quatrième axe. 10 Selon un mode réalisation alternatif, la première source émet un faisceau qui, de plus, balaie un plan parallèle au quatrième axe. Par ailleurs, on pourra prévoir avantageusement que le système selon l'invention comporte au moins quatre balises et que chaque balise comporte au moins trois photodétecteurs. Selon une variante de réalisation le système de localisation selon l'invention comporte au moins une deuxième source lumineuse générant un faisceau lumineux plat tournant autour d'un cinquième axe perpendiculaire au quatrième axe. Par ailleurs, on prévoira avantageusement une troisième source lumineuse omnidirectionnelle associée à chaque faisceau tournant pour le repérage en rotation et ayant une fonction de synchronisation.. L'invention est applicable à un système de localisation comportant plusieurs objets possédant chacun au moins une première source tournant autour d'un axe et émettant un rayonnement d'une longueur d'onde particulière. Chaque balise possède alors des photodétecteurs sélectifs permettant de détecter lesdites longueurs d'ondes. On peut prévoir que le système comporte plusieurs objets possédant chacun au moins une première source tournant autour d'un axe et émettant un code temporel spécifique associé à un moyen de décodage de ce code temporel intégré dans le circuit de contrôle central CCU permettant de différencier la position de chaque objet. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation simplifié d'un système de localisation selon l'invention, - la figure 2, un exemple de réalisation plus complet et vu en coupe du système de la figure 1, - la figure 3, un exemple de réalisation d'un ensemble de 3 sources lumineuses tournantes destiné à être installé sur un objet à localiser. En se reportant à la figure 1, on va donc tout d'abord décrire un exemple de réalisation simplifié d'un système de localisation d'un objet 1 qui est situé dans un espace M qui est représenté par un plan XY sur la figure 1. L'objet 1 est équipé d'une source de rayonnement 10 qui tourne autour d'un axe Z' qui est en principe parallèle à l'axe Z lequel est perpendiculaire au plan XY. De préférence, la source de rayonnement 10 émet un faisceau lumineux 12 et met en oeuvre avantageusement une source laser. L'espace M est équipé de balises M1, M2, M3, M4. Chaque balise possède au moins un détecteur du rayonnement émis par la source 10. Selon l'exemple précédent les détecteurs intégrés dans les balises sont donc des photodétecteurs. A titre d'exemple, la zone du plan XY dans laquelle se trouve l'objet 1 est délimitée par un rectangle en trait mixte, mais l'objet 1 pourrait être situé en dehors de cette zone. Les balises M1 à M4 sont situées au quatre coins de ce rectangle. La source 10 en tournant autour de l'axe Z émet un faisceau 12 qui balaie tout le plan XY. Selon l'exemple de la figure 1, ce faisceau 12 à partir de la position d'éclairement de la balise M4, tourne selon la flèche FI et éclaire successivement les différentes balises Ml à M4. Les photodétecteurs des balises détectent les passages du faisceau lumineux 12 et transmettent des signaux électriques de détection à un circuit de contrôle central COU. Comme cela sera décrit ultérieurement, à partir des instants de détection du faisceau 12 par les différents photodétecteurs, le circuit de contrôle CCU calcule la position de l'objet 1 dans l'espace M. La figure 2 représente en coupe un système tel que celui de la figure 1. L'espace M est alors un volume représenté en trait mixte. Les balises M1 à M4 sont réalisées sous forme de mâts placés parallèlement à l'axe Z. Le long de ces balises sont prévus aux moins deux photodétecteurs. Sur la balise M1, on a représenté, par exemple, trois photodétecteurs D1.1, D1.2, D1.3. La source 10 est prévue pour émettre un faisceau 12 plat de lumière. Sur la figure 2, la source 10 est dans une position telle que le faisceau 12 éclaire l'ensemble des photodétecteurs de la balise M1. Le faisceau 12, en tournant autour de l'axe Z' éclairera successivement les balises M2, M3, M4. La source optique 10 située sur l'objet 1 permet donc d'émettre un faisceau lumineux qui illumine successivement les balises Ml à M4 avec une ligne optique tournant autour de l'axe Z' et qui atteint simultanément ou séquentiellement les 3 détecteurs D1.1, D1.2, D1.3 de la balise Ml, puis les trois détecteurs de la balise M2, etc. Par ailleurs, la référence de rotation propre de la source 10 est transmise aux différentes balises par un flash lumineux omnidirectionnel non représenté sur la figure 2. Par exemple, ce flash lumineux est déclenché par la source 10 lorsque le faisceau 12 est détecté, lors de sa rotation, par un détecteur 5 intégré à la source 10 elle-même. Les trois coordonnées x, y et z de l'objet 1 dans l'espace M ainsi que les trois angles, roulis, tangage et rotation propres de l'objet peuvent être ainsi obtenus par traitement numérique en temps réel des signaux de détection. La figure 3 représente un exemple simplifié d'un ensemble de sources lumineuses tournantes qui peuvent être prévues sur un objet 1 à localiser dans un espace M. On retrouve sur cette figure la source 10 qui peut tourner selon la flèche F1 autour de l'axe Z'. Sur la source 10, on a représenté la zone de sortie 11 du faisceau F1 émis par la source. Cette zone a une forme allongée selon une direction parallèle à l'axe Z' pour bien figurer que le faisceau émis est plat de façon à obtenir sur les balises une raie lumineuse parallèle à l'axe Z' permettant d'illuminer tous les détecteurs quelque soit l'orientation de la source 10. Le détecteur associé à la source 10 permet de référencer la rotation par rapport à l'axe X'. Le système de la figure 3 comporte également deux sources lumineuses tournantes 20 et 30. La source 20 tourne selon la flèche F2 autour de l'axe X'. Sa zone émissive est orientée parallèlement à l'axe X'. Un faisceau plat émis par la source 20 balayera donc verticalement les détecteurs des balises. La source 30 est similaire à la source 20. Elle tourne autour de l'axe Y' et le faisceau lumineux qu'elle émet permet également de balayer verticalement les détecteur des balises. Les faisceaux émis par les sources 20 et 30 permettent de calculer la position de l'objet dans l'espace selon l'axe Z, ce que ne permet pas le faisceau émis par la source 10. Ces sources 20 et 30 permettent également de calculer l'inclinaison de l'objet par rapport au plan XY et ainsi d'améliorer la précision et la robustesse de la mesure. De plus, sur la figure 3, la source omnidirectionnelle 4 a été représentée à la partie supérieure de la source 10. A partir des détections réalisées par les photodétecteurs des balises M1 à M4, le calcul de la position de l'objet 1 dans l'espace M est effectué par le circuit de contrôle central à partir des instants de détection des faisceaux lumineux détectés par les différents détecteurs du système. Pour calculer la position du centre de gravité (X, Y, Z) de l'objet, on se sert des angles d'interception entre le faisceau de la source 10 avec les balises fixes. On montre que le lieu des points M(X,Y,Z) qui voit deux balises fixes en A(0,0,0) et B(L,0,0) sous un angle a est une sphère centrée au point C(L/2, L/2/tga) de rayon R= L/ (2sir..a) comme cela est représenté en figure 4. Pour déterminer la position complète du point M(X, Y,Z), il suffit donc d'utiliser au moins 3 balises fixes et de calculer l'intersection dans l'espace de 3 sphères ainsi définies à partir des angles de vue a comme le montre la figure 5. La position angulaire (0, 0, a) de l'objet se déduit directement des déphasages des signaux reçus sur les détecteurs situés sur les balises fixes. Par exemple, dans le cas d'une simple __nclinaison 0 par rapport à l'axe Z', si la distance entre les détecteurs D11 et D12 est d et la distance entre la balise et l'objet est D , le déphasage entre les signaux de détection D11 et D12 s'exprime en radian par l'expression d. sinO/D. Les mesures d'angles se déduisant de mesures temporelles, la précision peut être très bonne et obtenue avec un dispositif électronique peu coûteux. Par exemple, si il faut 10ms (100Hz) pour effectuer un tour de la source 10 autour de l'axe Z', et que l'unité de temps est de 5ns (horloge à 200MHz), on résout 2 000 000 de points angulaires soit moins de un microradian. A une distance de 20 mètres par exemple, la précision spatiale théorique est donc d'environ 20 micromètres. Dans ce qui précède, on a considéré la localisation d'un seul objet dans un espace M. L'invention est également applicable à la localisation de plusieurs objets. Par exemple, dans le cas de cinq objets à localiser munis chacun de sources optiques tournantes comme décrit précédemment, Les différents signaux issus des 3 détecteurs élémentaires Dl à D3 pour chaque balise sont prétraités par le circuit de contrôle central qui effectue en temps réel le calcul des positions et vitesses des cinq objets suivis. Les sources optiques des différents objets sont caractérisées chacune par une longueur d'onde ou une signature temporelle propre à chaque objet. Dans le cas où on utilise des longueurs d'onde différentes pour différencier les objets, il faut utiliser des détecteurs sélectifs en longueur d'onde et associer un jeu de détecteur complet pour chaque longueur d'onde caractérisant chaque objet. En utilisant 4 balises fixes, et 5 gyrophares 3 axes, le nombre d'informations traité est ainsi de 5 objets x 3 axes x (1 top synchro + 3x4 détections élémentaires) soit 195 valeurs scalaires pour déterminer 5x6 degrés de liberté soit 30 paramètres. Il y a donc une redondance suffisante, plus d'un facteur 6, pour s'affranchir des masquages éventuels entre les objets et garantir une excellente précision sur tout le champ de mesure. Selon l'invention on prévoit de réaliser les sources telles que 10, 20 et 30 sous la forme de gyrophares à l'aide de laser semi-conducteur émettant dans le visible ou l'infrarouge. A ces lasers sont associés des moyens électro-mécaniques de balayage (miroirs, prismes ou DOE tournants). Un élément optique diffractif peut être utilisé pour former le plan laser. Un réseau de diffraction avec pas réparti ( shirp ) permet par exemple de disperser le faisceau laser dans un plan de façon à réaliser une raie de lumière de grande dimension et d'ouverture bien définie. Un champ angulaire de 90 ou 180 peut ainsi être obtenu très simplement. Le point important est d'avoir une rotation très uniforme des sources. Pour cela, on utilisera de préférence un moteur sans balais pour éviter les vibrations angulaires avec une commande électronique en fréquence pour bien réguler la rotation des sources lumineuses. Afin de réduire la vitesse de rotation, on peut utiliser un miroir, un prisme à plusieurs facettes ou faire tourner directement plusieurs lasers avec leur électronique de commande. Un déflecteur électro-optique à cristal liquide ou acousto-optique peuvent être également utilisés pour s'affranchir de toute pièces mobiles. On prévoira avantageusement que chaque source optique ait une période de révolution typique de 100 tr/s pour permettre l'échantillonnage du mouvement des objets à une fréquence de 100Hz. 112 REVENDICATIONS 1. Système de localisation d'un objet comprenant un objet (1) situé dans un espace (M) défini par un premier axe (X), un deuxième axe (Y) et un troisième axe (Z) orthogonaux entre eux, caractérisé en ce qu'il comporte: - au moins une première source lumineuse (10) associée à l'objet (1), émettant au moins un faisceau lumineux (12) tournant autour d'un quatrième axe (Z') pouvant être parallèle audit troisième axe (Z), - au moins trois balises (M1 à M3) situées dans l'espace (M) et portant chacune au moins un photodétecteur de rayonnements (D1.l) recevant le dit faisceau lumineux, un circuit de contrôle central (CCU) connecté au photodétecteur (D1.1) des différentes balises et recevant de ces photodétecteurs, des signaux correspondant aux différents faisceaux qu'ils détectent, ledit circuit de contrôle central calculant la position de l'objet (1) par rapport aux balises (Ml à M3). 2. Système de localisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque balise comporte au moins deux photodétecteurs (D1.1 à D3.3) alignés selon une direction parallèle au troisième axe (Z). 3. Système de localisation selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première source (10) émet un faisceau lumineux plat dont le plan est parallèle au quatrième axe (Z'). 4. Système de localisation selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première source (10) émet un faisceau qui balaie un plan parallèle au quatrième axe (Z'). 5. Système de localisation selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins quatre balises (Ml à M4) 6. Système de localisation selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque balise comporte au moins trois photodétecteurs. 7. Système de localisation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une deuxième source lumineuse (20, 30) tournant autour d'un cinquième axe (X', Y') perpendiculaire au quatrième axe et émettant un faisceau lumineux plat dont le plan est parallèle audit cinquième axe. 8. Système de localisation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une source lumineuse (4) omnidirectionnelle associée à la source (10) ayant une fonction de synchronisation. 9. Système de localisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs objets (1) possédant chacun au moins une première source (10) tournant autour d'un axe (Z') et émettant un rayonnement d'une longueur d'onde particulière, chaque balise possédant des photodétecteurs sélectifs permettant de détecter lesdites longueurs d'ondes. 10. Système de localisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs objets (1) possédant chacun au moins une première source (10) tournant autour d'un axe (Z') et émettant un code temporel spécifique associé à un moyen de décodage de ce code temporel intégré dans le circuit de contrôle central CCU permettant de différencier la position de chaque objet.