Brevet FR2878965A1 — publié le 20060609

SYSTEME ET PROCEDE DE:POSITIONNEMENT LOCAL DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un système et un procédé de positionnement local. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Pour repérer ou positionner un objet dans la nature on peut utiliser le système GPS ( Global Positionning System ) avec actuellement une précision de positionnement pouvant aller de 1 à 5 cm. Ce système n'est, toutefois, pas utilisable dans un bâtiment. Pour réaliser des mesures de positionnement dans un bâtiment, il existe différents moyens qui peuvent être choisis en fonction de la précision souhaitée. Pour effectuer des mesures précises on utilise, par exemple, des appareils classiques de visée directe: laser de poursuite, théodolite, lunette.... Ces appareils ont une précision de quelques ppm et peuvent mesurer, en visée directe, quelques dizaines de mètres. Ces appareils sont très performants dans des zones dégagées (non encombrées) mais doivent être déplacés pour contourner un obstacle. La figure 1 illustre, ainsi, un système de positionnement d'objets de forme quelconque 10, 11, 12 à positionner ou à contrôler, dans un bâtiment 13 ici de deux niveaux. Deux lasers de poursuite 14, et 15, comportant chacun une tête mobile sur 360 dans le plan horizontal et pouvant balayer 60 en altitude, émettent des faisceaux 16 et 17. Des réflecteurs 18 et 19 fixés sur les objets, au sol ou sur les murs, qui jouent le rôle de points de référence, réfléchissent ces faisceaux. Les lasers reçoivent alors les faisceaux ainsi réfléchis et calculent les distances et les angles des objets 10, 11 et 12 par rapport à une référentiel commun R. L'orifice 20 permet de réaliser des mesures entre étages pour utiliser par exemple les points références de l'étage inférieur dans l'étage supérieur. Un tel système permet d'atteindre une précision de 10 ppm. Si on veut positionner de tels objets 10, 11, 12 dans un bâtiment sur plusieurs étages par rapport à un référentiel commun R, il faut établir un réseau de référence primaire et des réseaux de référence secondaires à chaque étage pour pouvoir recaler les appareils de visée directe 15, 16 servant à réaliser les mesures, pour le réglage. L'établissement de tels réseaux est très long car il faut un minimum de points de référence pour assurer la précision demandée. C'est une opération lourde, qui doit être réalisée périodiquement pour tenir compte du tassement du bâtiment ou de déformations des sols et des murs. Une fois ces réseaux établis, le positionnement et le suivi de telles dérives peuvent être effectués en installant un appareil de mesure à proximité. De plus ces appareils de visée directe doivent être placés à proximité des objets. Pour surveiller plusieurs objets, plusieurs appareils sont nécessaires. Or de tels appareils ont un coût élevé. De plus leur utilisation nécessite une formation spéciale. L'invention a pour objet un système et un procédé permettant de pallier ces inconvénients en réalisant un repérage très précis dans une zone locale encombrée. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un système de positionnement local d'un ensemble d'au moins un élément, ou objet, dans un bâtiment comprenant au moins une pièce plus ou moins encombrée, caractérisé en ce qu'il comprend un réseau d'au moins trois sources fixes, émettrices de signaux dans des fréquences supérieures à 500 MHz, un réseau de récepteurs, au moins trois récepteurs étant disposés de façon connue sur chaque élément, et au moins un organe de traitement des signaux émis par les sources et des signaux reçus par les récepteurs disposés sur chaque élément, pour déterminer la position de chaque élément. L'invention concerne également un procédé de positionnement local d'un ensemble d'au moins un élément dans un bâtiment comportant au moins une pièce plus ou moins encombrée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: émission d'au moins trois signaux, émis par au moins trois sources fixes, de fréquences supérieures à 500 MHz, réception de ces signaux par au moins trois récepteurs disposés de façon connue sur chaque 30 élément, - traitement, par au moins un organe de traitement, des signaux émis par les sources et des signaux reçus par les récepteurs, pour déterminer la position de chaque élément. Avantageusement chaque récepteur est une antenne particulière permettant d'obtenir la précision recherchée. Les récepteurs associés à chaque élément sont reliés à un organe d'acquisition et de traitement des données. Chaque organe d'acquisition et de traitement peut être relié à un organe de supervision, ou à un organe de traitement local. Dans un mode de réalisation avantageux un multiplexeur est disposé entre les récepteurs et un 15 organe de traitement. Dans un autre mode de réalisation un composant optique muni d'au moins trois antennes submillimétriques est disposé sur chaque élément. Ce système peut servir à aligner un faisceau laser frappant ces composants optiques. L'invention présente les avantages suivants. - Aucune formation n'est nécessaire pour utiliser le système de l'invention. Il suffit d'établir un réseau minimum d'émetteurs pour couvrir tout le bâtiment. - Les informations obtenues sont transmises en temps réel. Il y a moins de contraintes qu'en visée 30 directe car certains matériaux peuvent être traversés par les ondes émises par les sources couvrant avantageusement le volume de la zone de repérage. - Une intervention rapide sur un objet ou sur un équipement peut être réalisée de façon entièrement déportée et éventuellement sans intervention humaine, pour effectuer des mesures ou des réglages (motorisés). - Le repérage d'un grand nombre d'objets est très simplifié par l'exploitation du système de l'invention (exploitation de l'ensemble des mesures en parallèle et en temps réel). - La précision de positionnement obtenue est inférieure au millimètre. - Une grande flexibilité du système est possible: Il est absolu par rapport â une seule référence principale du bâtiment ou plusieurs références secondaires, à chaque étage par exemple. - Dans le cas de grands bâtiments un remaillage de tous les réseaux primaires et secondaires, prévus avec les appareils de visée directe de l'art connu qui demandent un travail considérable, n'est plus nécessaire. - Le système de l'invention est parfaitement adapté pour l'exploitation (suivi des dérives et recalages des structures). Il utilise des émetteurs et des récepteurs qui sont étalonnés, mais qui ne sont pas considérés comme des appareils de mesure: Ils ne nécessitent pas une certification régulière, qui est une opération coûteuse. - Le système de l'invention permet de régler ou de surveiller les dérives de structures et d'objets dans un hall de grande dimension (plusieurs dizaines de mètres). Son efficacité se traduit par le fait qu'il est très simple à mettre en oeuvre et permet une mesure instantanée. - Les positions des sources (émetteurs) sont contrôlées périodiquement: la connaissance de ces dérives permet de recaler les mesures par rapport à une référence. Le système de l'invention peut être utilisé dans de nombreux domaines, et notamment pour: - le positionnement de structures dans l'espace (bâtis transport,...) - la surveillance de dérives de structures ou de dalles d'un bâtiment dans le temps, - l'alignement de plusieurs objets (par exemple en optique). - le repérage d'objets ou la surveillance de personnes dans un bâtiment (domaine de la sécurité et de la sûreté). BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un système de positionnement local de l'art connu. Les figures 2 et 3 illustrent le système de positionnement de l'invention. Les figures 4 et 5 illustrent un mode de réalisation du système de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le système de l'invention, illustré sur la figure 2, est un système de positionnement local d'un ensemble d'au moins un élément ou objet 25, 26, 27 dans un bâtiment 28 comprenant ici deux pièces non dégagées, c'est-à-dire plus ou moins encombrées. Ce système comprend: - un réseau d'au moins trois sources 30, 31, 32, (éventuellement 33) fixes, par exemple fixées à la structure du bâtiment 28, émettrices dans des fréquences supérieures à 500 MHz, - un réseau de récepteurs 35, par exemple d'antennes calibrées, fixés sur les objets dont on veut connaître la position, au mcins trois récepteurs étant fixés de façon connue sur chaque objet, ces deux réseaux étant reliés à au moins un organe de traitement. Sur cette figure 2, les trois récepteurs 35 fixés sur chaque objet 25, 26, 27 sont reliés à un organe d'acquisition et de traitement de données 36. Cet organe 36 peut être relié à un organe de supervision OS, ou à un organe de traitement local 37, via un émetteur secondaire 38. Sur cette figure sont représentés un référentiel principal R, correspondant au bâtiment, un référentiel d'origine RO, correspondant à une zone de mesure, et des référentiels RS, correspondant à chaque objet. Le système de l'invention fonctionne de la façon suivante: - Les sources 30, 31, 32 (et éventuellement 33) émettent des signaux références, qui sont reçus par les récepteurs 35. - Chaque organe d'acquisition et de traitement de données 36 reçoit les signaux émis par les sources et les signaux reçus par les récepteurs d'un objet correspondant. Il analyse ces signaux (amplitude et phase), en déduit les différences de phase dues aux distances parcourues, puis calcule les coordonnées des centres de phase de chaque récepteur pour finalement repérer la position de chacun des objets (25, 26, 27). - L'ensemble des données collectées et traitées par une carte de type DSP ( Digital Signal Processor ) (36), peut alors être transmis par liaison filaire ou non à l'organe de supervision OS pour fournir la position de la structure dans le bâtiment. Ces données peuvent également être exploitées par l'organe de traitement local 37 à partir d'une connexion sur l'organe d'acquisition et de traitement 36 ou bien de manière sans fil grâce à une transmission 38. Le système de l'invention consiste donc à déterminer des distances entre des récepteurs 35 et des sources 30, 31, 32, 33 dont on connaît précisément la position. En plaçant au moins trois de ces récepteurs sur chacun des objets à positionner, on est capable de repérer chaque objet dans l'espace, par rapport à un référentiel R. Par rapport aux dispositifs de l'art connu (théodolites, lasers...) le système de l'invention permet de réaliser des mesures précises en temps réel sans visée directe par rapport à un seul référentiel R. La miniaturisation possible des récepteurs peut être obtenue avec par exemple des antennes de type guide d'ondes. L'utilisation de ce type d'antenne permet de minimiser l'incertitude du centre de phase, pour le développement de très nombreuses applications nécessitant une meilleure précision. Comme illustré schématiquement sur la figure 3, un récepteur 35 reçoit à un instant tr la phase du signal émis par une source à un instant ts, avec des différences de phase 41, (1)2, (1)3 existant entre les différents signaux issus de trois sources 30, 31 et 32 en direction de ce récepteur. Pour s'affranchir de l'ambiguïté concernant la phase (établie à un nombre de cycles entiers près) on peut utiliser une méthode de positionnement relatif par multi-différences, dans laquelle on détermine les coordonnées d'un point inconnu, à partir des coordonnées d'un point connu en partant des valeurs de différences de phase en ces deux points. Une telle méthode permet de s'affranchir d'ambiguïtés entières (nombre entier de cycles que le récepteur ne peut mesurer). Le repérage d'un objet peut se faire à partir du moment où l'on a calibré la position des récepteurs par rapport à cet objet. Le réseau des sources émettrices étant fixe et parfaitement identifié. Dans un mode de réalisation avantageux les informations issues des récepteurs peuvent être multiplexées et transmises par liaison filaire ou aérienne à un organe de traitement qui se charge de collecter l'ensemble des positions des objets, de manière instantanée. De cette manière tout utilisateur équipé d'un récepteur portable, par exemple un ordinateur PC ( Personnal Computer ) portable, en liaison avec cet organe de traitement peut contrôler en temps réel n'importe quelle position d'objet sur site. Un mode de réalisation particulièrement intéressant pour l'alignement de faisceaux lasers, consiste à disposer au moins trois antennes submillimétriques 40 sur la face arrière ou les tranches de composants optiques 41 fixées sur chaque objet. Chaque composant optique, comme illustré sur la figure 4, est disposé sur un objet qui est lui-même positionné grâce au système de l'invention. Ce peut-être une lame transparente, un miroir.... Pour des besoins d'alignement optique on a besoin de connaître la position de son centre afin de corriger celle-ci. Chaque composant optique est, à cet effet, solidaire d'une monture motorisée non représentée sur la figure, qui permet un changement d'orientation par rapport au faisceau, fixée sur l'objet correspondant. Pour l'alignement de tels composants optiques Ci associés aux différents objets Oi, comme illustré sur la figure 5, le principe de l'alignement consiste à positionner les composants optiques associés aux objets pour que le faisceau laser suive un chemin théorique établi pour aboutir par exemple sur une cible. Le faisceau 42 issu d'un laser 43 frappe (il peut les traverser ou se réfléchir sur ceux-ci) ainsi les composants Cl, C2, C3... et est réfléchi par les miroirs M1, M2 pour atteindre la cible 44. Une correction peut être ensuite apportée sur chaque composant à l'aide de ses actionneurs associés. Le système de l'invention permet de réaliser en temps réel ce type d'alignement dans un environnement très encombré par des structures, cloisons, protections, matériels divers qui empêchent de faire simplement des mesures avec des appareils du commerce. Toutes les mesures arrivent en même temps et les corrections par l'intermédiaire des actionneurs peuvent se faire en même temps. A l'aide d'un récepteur portable, un tel mode de réalisation peut être ouvert à tous pour vérifier l'emplacement d'un objet dans un bâtiment (nouvelle installation, contrôle technique, évolution de matériel, re réglage, ...), sans prendre de précautions particulières. Il suffit simplement de placer les antennes sur l'objet à mesurer et de lire ses coordonnées. Ce mode de réalisation permet de connaître la position de chaque objet dans l'espace à chaque instant afin de surveiller toute dérive de l'alignement et de simuler une émission laser qui permet de réduire les temps de réglages des optiques. L'utilisation d'un tel mode de réalisation peut être envisagée dans des endroits protégés, pour la 30 maîtrise des visites. En mode dégradé, c'est-à-dire en utilisant une seule antenne, il est possible de réaliser de la simple localisation. Un émetteur/récepteur miniaturisé, par exemple sous forme de bracelet cadenassé, peut être remis à chaque visiteur entrant dans un bâtiment sensible pour permettre de suivre celui- ci en temps réel et de contrôler son accès dans des zones à risques. Les applications d'un tel mode de réalisation sont nombreuses pour tous les centres de recherche qui possèdent des installations complexes faisant appel à des positionnement et réglages dans l'espace. REVENDICATIONS 1. Système de positionnement local d'un ensemble d'au moins un élément (25, 26, 27) dans un bâtiment (28) comprenant au moins une pièce encombrée, caractérisé en ce qu'il comprend un réseau d'au moins trois sources fixes (30, 31, 32), émettrices de signaux dans des fréquences supérieures à 500 MHz, un réseau de récepteurs (35), au moins trois récepteurs étant disposés de façon connue sur chaque élément, et au moins un organe de traitement (36) des signaux émis par les sources et des signaux reçus par les récepteurs disposés sur chaque élément, pour déterminer la position de chaque élément. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel chaque récepteur (35) est une antenne avec une incertitude du centre de phase réduite au maximum. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel les récepteurs associés à chaque élément sont reliés à un organe d'acquisition et de traitement des données (36). 4. Système selon la revendication 3, dans lequel chaque organe d'acquisition et de traitement de données (36) est relié à un organe de supervision (OS). 5. Système selon la revendication 3, dans 30 lequel les organes d'acquisition et de traitement de 25 données sont reliés à des organes de traitement local (37). 6. Système selon la revendication 1, 5 comprenant un multiplexeur disposé entre les récepteurs et un organe de traitement. 7. Système selon la revendication 1, dans lequel un composant optique muni d'au moins trois antennes submillimétriques (40) est disposé sur chaque élément. 8. Procédé de positionnement local d'un ensemble d'au moins un élément (25, 26, 27) dans un bâtiment (28) comportant au moins une pièce encombrée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: émission d'au moins trois signaux, émis par au moins trois sources fixes (30, 31, 32), de fréquences supérieures à 500 MHz, réception de ces signaux par au moins trois récepteurs (35) disposés de façon connue sur chaque élément, - traitement, par au moins un organe de traitement (36), des signaux émis par les sources et des signaux reçus par les récepteurs disposés sur chaque élément, pour déterminer la position de chaque élément. 9. Procédé selon la revendication 8, dans 30 lequel chaque récepteur (35) est une antenne avec une incertitude du centre de phase réduite au maximum. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel les récepteurs associés à chaque élément sont reliés à un organe d'acquisition et de traitement des données (36). 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel chaque organe d'acquisition et de traitement de données (36) est relié à un crgane de supervision (OS). 12. Procédé selon la revendication 10, dans lequel les organes d'acquisition et de traitement de données sont reliés à des organes de traitement local (37). 13. Procédé selon la revendication 8, comprenant un multiplexeur disposé entre les récepteurs et un organe de traitement. 14. Procédé selon la revendication 8, dans lequel un composant optique muni d'au moins trois antennes submillimétriques (40) est disposé sur chaque élément.