Brevet FR2905455A1 — publié le 20080307

Procédé de détection de l'orientation et de la position d'un objet dans l'espace. La présente invention concerne un procédé de détection optique de position et d'orientation d'un objet dans l'espace. Elle s'applique plus particulièrement dans le domaine aéronautique. Dans ce cas, l'objet est un casque de pilote comportant un système de visualisation de casque. ~o La détermination de la position et de l'orientation d'un objet dans l'espace est un problème concernant de nombreux domaines techniques. Les différentes solutions généralement apportées doivent avoir comme caractéristiques principales de lever toute ambiguïté de position ou d'orientation, de répondre à une dynamique plus ou moins sévère des 15 systèmes et de satisfaire une précision élevée. Ces systèmes sont utilisés en aéronautique, pour la détection de posture de tête, notamment pour les casques d'avions d'arme, d'hélicoptères militaires, civils ou para-civils. Ils sont utilisés également pour la détection de 20 casques de simulation, cette détection peut alors être combinée à un dispositif d'oculométrie, également appelé eyetracker, pour la détection de position du regard. Dans le domaine de la réalité virtuelle et des jeux, il existe également de nombreuses applications de ces systèmes. 25 Actuellement, les systèmes de détection de posture optiques reposent sur deux grands principes. En premier lieu, il est possible d'identifier sur une image, réalisée par un capteur matriciel par exemple, la position d'émetteurs ponctuels lumineux. Des diodes électroluminescentes, appelées également LEDs, peuvent être utilisées comme émetteurs. Par 30 ailleurs, une autre solution consiste à observer un motif non ambigu imprimé sur l'objet dont la position et l'orientation sont à déterminer. A cet effet, on utilise une ou plusieurs caméras pour observer ce motif et l'analyser à partir des images collectées. 35 Dans le cas de l'utilisation des sources lumineuses du type LEDs, celles-ci sont disposées par groupe. Ces groupes de LEDs sont également 2905455 2 appelés cluster. Dans le cas d'applications aéronautiques, ces clusters, disposés sur le casque, ne sont généralement pas contenus dans un plan, et se présentent dans de nombreux cas sous forme de tétraèdre sur le casque. La figure 1 représente un casque 1 utilisé en aéronautique pour 5 des systèmes de détection de position et d'orientation d'objet dans l'espace. Les diodes 10 placées sur le casque forment un cluster en forme de tétraèdre. Le tétraèdre est indiqué en lignes pointillées sur la figure 1. Ce type de système nécessite des capteurs, généralement des caméras placées dans le cockpit. II s'agit d'un dispositif multi-émetteurs/multi-récepteurs dont les émetteurs sont les diodes et les récepteurs les caméras. L'analyse des informations issues des capteurs est complexe, compte-tenu de la géométrie spatiale qui nécessite de grandes capacités de calcul. Par ailleurs, l'asservissement d'un système de ce type peut présenter des aspects limitatifs en terme de rapidité du temps de calcul et peut donc affecter la précision des systèmes. Pour atteindre la précision requise, le capteur, de type caméra, doit avoir une résolution élevée et le traitement de l'information capteur est soumis à une prédiction de la position des LEDs et une analyse de zones d'intérêt. II existe des variantes de ces systèmes, notamment des dispositifs de détection de l'ombre d'une grille éclairée par une source montée sur casque. Ces systèmes présentent une limitation sur la détermination, avec précision, de l'orientation de l'objet à identifier. La méthode de détection de la position et de l'orientation d'un objet, par l'observation d'un motif sur ledit objet par des caméras, est moins précise. Cette méthode nécessite de grandes capacités de calcul et pose des problèmes d'utilisation dans des environnements perturbés. Une façon d'améliorer les performances d'un tel système est de multiplier les capteurs et de les placer de façon optimale. Cette solution reste néanmoins difficile à mettre en oeuvre. D'une manière générale, les solutions actuelles de détection de la position et de l'orientation d'un objet dans l'espace, dans le domaine aéronautique, présentent des limitations liées au compromis entre la mise en 2905455 3 oeuvre de solutions extrêmement lourdes en calcul et les exigences de précision requises. Par ailleurs, les contraintes d'environnement aéronautique imposent une redondance des moyens optiques ou des capteurs et ne permettent pas de mettre en oeuvre des solutions techniques 5 simples. Le procédé selon l'invention permet, notamment, de pallier les inconvénients précités. En effet, le dispositif comporte des capteurs ou des émetteurs regroupés en cluster ayant la forme de parallélogramme. Le io procédé de détermination de la position des capteurs est, de ce fait, simple à mettre en oeuvre et nécessite très peu de calculs, le procédé étant déterministe. Ce procédé est très avantageux dans le cas de systèmes asservis où les temps entre deux mesures sont réduits et la précision de détection accrue. 15 Avantageusement, le procédé de détection optique de position et d'orientation d'un objet est réalisé au moyen d'un dispositif optique comportant au moins un premier parallélogramme (A'B'C'D') solidaire dudit objet et comprenant des moyens optiques et des moyens d'analyse électroniques permettant de déterminer les coordonnées des quatre 20 sommets du premier parallélogramme (A'B'C'D'), dans un repère orthonormé (Ro (O, i, j,k )), comprenant un centre (0), ledit repère comprenant un plan (O, j, ) parallèle au plan-image (Pi). Le plan-image est sans ambiguïté le plan-image du dispositif optique considéré. Le procédé comporte plusieurs étapes : 25 une première étape de définition d'un second parallélogramme de référence (AoBoCoDo) dont le centre (0) est le centre du repère (Ro (O, i , j, k' )), possédant les mêmes caractéristiques que le premier parallélogramme (A'B'C'D'), situé dans le plan (O, j, k) parallèle au plan image (Pi) ; 30 - une deuxième étape de définition de la transformation par laquelle le premier parallélogramme (A'B'C'D') est l'image du second parallélogramme (AoBoCoDo), celle-ci se décomposant en une translation û et une rotation vectorielle r. - une troisième étape de détermination par les moyens optiques, 35 d'un quadrilatère (ABCD), obtenu par projection du premier 2905455 4 parallélogramme (A'B'C'D') dans le plan-image (Pi), d'abscisse Xi, non nulle, dans le repère (RO) de centre 0, selon une direction perpendiculaire (t) au plan image (Pi), une quatrième étape de détermination : 5 o d'un premier point (E) appartenant au plan-image (Pi), lorsqu'il existe, tel que le premier point (E) est l'intersection des droites formées par deux cotés opposés du quadrilatère (AB, CD) ; o d'un second point (F) appartenant au plan-image (Pi), 10 lorsqu'il existe, tel que le second point (F) est l'intersection des droites formées par les deux autres cotés du quadrilatère (AC, BD), o d'un premier vecteur (0E), reliant le centre du repère (0) et le premier point (E) ; 15 o d'un second vecteur (OF ), reliant le centre du repère (0) et le deuxième point (F) ; une cinquième étape de détermination des images respectives des vecteurs unitaires (l , hk ), définissant le repère (Ro), par la rotation r, en fonction des premier et second vecteurs 20 (OE ,0F ) et des coordonnées des quatre sommets (AO,BO,CO,DO) du second parallélogramme (AOBOCODO) ; une sixième étape de détermination de la translation û en fonction des premier et second vecteurs (OE, OF) et des coordonnées des quatre sommets (Ao,Bo,Co,Do) du second 25 parallélogramme (AoBoCoDo). La connaissance de la translation û et de la rotation r suffit à repérer la position de l'objet, ainsi que son attitude dans l'espace. enfin, une septième étape peut être réalisée pour déterminer les coordonnées des sommets du premier parallélogramme 30 (A',B',C',D') dans Ro, à partir des coordonnées connues des sommets du second parallélogramme (AO,BO,CO,DO) et de la transformation composée d'une translation u et d'une rotation r. 2905455 5 Avantageusement, le procédé de détection peut comporter des formes particulières de parallélogrammes comme des losanges, des rectangles ou des carrés. Avantageusement, le procédé de détection optique peut 5 comprendre des moyens optiques comprenant un vidéo-projecteur holographique émettant, dans une image, des motifs lumineux nets en tout point de la zone de débattement dudit objet et au moins deux capteurs matriciels linéiques identiques et parallèles entre eux, disposés sur l'objet, les quatre extrémités de ces deux capteurs formant un parallélogramme. 1 o Avantageusement, le procédé de détection optique peut comprendre des moyens optiques comprenant une caméra et au moins quatre diodes émettrices disposées sur l'objet dont chacune représente les extrémités d'un parallélogramme. 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faîte en regard des dessins annexés qui représentent : • la figure 1 représente un casque de pilote selon l'état de l'art ; • la figure 2 représente les caractéristiques d'un parallélogramme 20 de référence ; • la figure 3 représente une vue 3D du dessin d'un parallélogramme issu de sa projection dans un plan-image ; • la figure 4 représente les points de fuite du dessin de la figure 3, lorsqu'ils existent ; 25 • la figure 5 représente les vecteurs, connus dans Ro, des points de fuites du dessin de la figure 3 ; • la figure 6 représente un exemple de dispositif optique selon l'invention. 30 Le procédé de détection optique selon l'invention consiste en la détermination des sommets d'un parallélogramme A'B'C'D', situé dans un repère Ro de l'espace, noté Ro (O, i, j,k ), à partir de la connaissance des caractéristiques du parallélogramme et de quatre points connus d'un quadrilatère ABCD. Ce quadrilatère représente un dessin issu de la 35 projection du parallélogramme A'B'C'D' dans un plan-image. 2905455 6 Les caractéristiques A'B'C'D' du parallélogramme peuvent être par exemple sa hauteur, sa largeur et la coordonnée d'un de ses points dans le repère Ro. Bien entendu, tout autre mode de représentation pourrait convenir. 5 Cette détection du parallélogramme se fait au moyen d'un dispositif optique permettant, lorsque le parallélogramme est fixé à un objet, de repérer la position et l'orientation de l'objet dans Ro. La figure 2 montre un exemple d'un parallélogramme 20 de 10 sommets A0, Bo, Co et Do et dont les caractéristiques sont les mêmes que celles du parallélogramme A'B'C'D' dont la position et l'orientation dans Ro sont à déterminer. Le parallélogramme 20 possède quatre cotés notés AoBo, CoDo, AoCo et BoDo parallèles entre eux deux à deux. La hauteur 21 du parallélogramme est notée H, sa largeur 22 est notée L et la coordonnée 23 15 de Ao dans le repère Ro selon j est notée T. Les quatre points sont définis dans Ro, par les équations suivantes : OAo=Tj+2k, OB0=(T-L)j+2k, OCo=ûOB0 etODo= ûOAo. 20 Comme indiqué sur la figure 3, ce parallélogramme de référence est placé dans le repère Ro, de manière que son centre soit O. Le plan (O, j, k) noté Po est parallèle au plan P; noté (X;, j, k ), ce dernier étant le plan-image. Le plan P; contient le dessin ABCD du quadrilatère où X; est l'abscisse du plan suivant l'axe T . 25 Il est équivalent de connaître les coordonnées des quatre sommets du parallélogramme A'B'C'D' dans Ro que de connaître la transformation analytique qui permet de déduire A'B'C'D' du parallélogramme 20. 30 Etant donné que les deux parallélogrammes ont les mêmes caractéristiques, il existe une rotation vectorielle directe r selon un axe passant par O et une translation û , r et û étant uniques, telles que, OA'=+r(OAo) _.) OB' = ü + r(OB0 2905455 OC'=+rOCo) OD'=+r(OD) La figure 3 représente le parallélogramme 30 noté A'B'C'D', dans 5 le repère Ro. Son dessin 31, issue de la projection de A'B'C'D' dans le plan P; est représenté par le quadrilatère ABCD. Les coordonnées du quadrilatère ABCD dans Ro étant connues par le procédé de détection optique, l'algorithme permet à partir du dessin 31 et du parallélogramme de référence 20, de connaître les transformations r et 10 û . La position et l'attitude de l'objet peuvent être déduite à partir de r et de û directement, sans spécifiquement connaître les positions des sommets du parallélogramme A'B'C'D'. La figure 4 représente dans le plan P;, le quadrilatère ABCD. 15 Lorsqu'ils existent, ce qui correspond au cas le plus fréquent, les coordonnées des points d'intersection des droites (AB) et (CD) et des droites (AD) et (BC) sont déterminées par la connaissance des coordonnées des points A, B, C, D dans Ro. On note alors, E le point d'intersection des droites (AB) et (CD) et F le point d'intersection des droites (AD) et (BC). On note, 20 dans ce cas, é le vecteur OE et f le vecteur OF . Il est connu que le vecteur ê est positivement proportionnel à A'B' et que le vecteur f soit positivement proportionnel à A'C' dans Ro. La figure 5 représente lorsqu'ils existent, les vecteurs OE et OF 25 dans le repère Ro et illustre la propriété précitée. Les cas, où E n'existe pas ou F n'existe pas ou que E et F n'existent pas, correspondent, respectivement, aux relations, qui découlent de la géométrie du quadrilatère ABCD, suivantes : 30 les cotés AB et CD sont parallèles. ABCD est un trapèze selon AB, c'est à dire que le coté A'B' est parallèle au plan image et le coté A'C' ne l'est pas. On détermine é = AB et f = OF . 7 2905455 8 les cotés BC et AD sont parallèles, ABCD est un trapèze selon BC, c'est à dire que le coté A'C' est parallèle au plan image et le coté A'B' ne l'est pas ; On détermine f = AC et é = OE . ABCD est un parallélogramme, c'est à dire que le 5 parallélogramme A'B'C'D' est parallèle au plan image. On a les deux relations suivantes : é = AB et 1= AC. Les calculs suivants sont réalisés dans le cas où E et F existent, les simplifications se faisant naturellement pour les cas particuliers où une io solution déterminée existe pour chaque cas. De A$' = r(AoBo ), on obtient, avec les notations précédentes : A'B' = -L . r(j), on déduit que r(j )= -Ilell , étant donné que III =1 Jr(3j =1. De même, de A'C' = r(AoCo ), on obtient, avec les notations 15 précédentes : A'C' = (L - 2T) . r(j)- Hr(k) , On déduit que : r(k)= q r(j)- /qz + H2 , où q = L - 2T. H H If Il r étant une rotation directe, on obtient : r(T)= r(j)A r(i). Les trois images respectives de T, j,k par la rotation r sont 20 déterminées en fonction des caractéristiques connues du parallélogramme et des deux vecteurs é et f . De OA'=û+r(OAÇ), on tire ü=OA'-T.r(j)- 2 •r(k). Si on appelle ,uE le réel connu tel que AE = ,uE AB et k le réel tel que OA' = k . OA , il est alors vérifié que : k = 'B • (,u,; -11. 25 De la même manière on a le réel défini par la relation AF=,u,,AC. On obtient le résultat analytique de la translation recherchée : û =k.OA ùT .r(j)ù 2 .r(k), avec k connu. 2905455 9 Le parallélogramme A'B'C'D' est déduit par la détermination de la transformation composée d'une rotation vectorielle connue et d'une translation connue, du parallélogramme de référence AoBoCoDo. Dans le cas où A'B'C'D' est un losange on a relation 5 supplémentaire : I1-,uh I • OF = 11-,u,, • 0E. Dans le cas où A'B'C'D' est un rectangle on a relation supplémentaire : (OE • OF) = 0. 1 o Dans le cas où A'B'C'D' est un carré, les expressions analytiques des transformations de par la rotation r sont simplifiées. On obtient : L = H = 2xT et la rotation du vecteur k est déterminée de manière simple : r(')= . Les deux relations supplémentaires, correspondantes au cas du llfll losange et du rectangle, sont toutes les deux valables pour le cas du carré. 15 La figure 6 est un exemple de dispositif, selon l'invention. Un objet 65 comportant des récepteurs électro-optiques, de type capteurs matriciels linéiques et un moyen de projection d'images, les dites images comportant des motifs lumineux 61. 20 Les capteurs sont regroupés de telle manière qu'ils forment deux à deux des parallélogrammes 30. Les capteurs sont parallèles entre eux deux à deux et de taille égale. Par ailleurs, un exemple de moyen de projection d'images, selon l'invention, est d'utiliser un moyen optique émettant, en tout point de la zone 25 de débattement 66 de l'objet 65, une image nette. Les capteurs placés sur le casque reçoivent des signaux non ambigus provenant de cette image. A cet effet, un exemple de réalisation de l'invention utilise comme moyen de projection, un vidéo-projeteur holographique 60. De tels vidéoprojecteurs holographiques sont réalisés et commercialisés par la société 30 Light Blue Optics et sont connus sous la marque PVPro. Ce vidéo-projecteur holographique possède la propriété avantageuse d'émettre une image nette en tout point de la zone de débattement 66. Ce vidéo-projecteur holographique, appelé VPH par la suite, comporte une source de lumière cohérente, qui est généralement une diode 2905455 10 laser, un afficheur permettant de réaliser une image de phase, des moyens optiques agencés de façon à créer à partir de l'onde émise par la source de lumière, une première onde référence et une seconde onde modulée par l'afficheur et des moyens permettant de faire interférer ces deux ondes. 5 L'image finale obtenue est un hologramme de Fraunhofer de l'image de phase générée sur l'afficheur. Il est possible de générer tout type d'image par ce moyen. L'afficheur peut être un afficheur à cristaux liquides, par exemple de type LCOS. Dans ces conditions, le centre O du repère Ro est défini par un ~o point du VPH, et le plan (O, ) est le plan-image parallèle au plan image 32 de l'image projetée comprenant l'origine. De manière à repérer l'objet dans l'espace, le VPH émet des images comportant des motifs lumineux 61 sur les capteurs situés sur le casque. L'analyse des informations issues des capteurs est réalisée par un 15 calculateur numérique 64, placé en aval des capteurs, dans la chaîne de traitement des signaux reçus. L'analyse des signaux reçus par chaque cellule permet de reconstituer le dessin, obtenu par projection du parallélogramme positionné sur l'objet dans le plan-image. Le dessin est déterminé, de manière 20 quasiment naturelle, par la photographie des motifs déformés dans le plan local du parallélogramme. Connaissant les motifs originels et leurs déformations identifiées par les capteurs, la connaissance à priori des caractéristiques du parallélogramme nous donnent inversement son dessin. Celui-ci représente un quadrilatère dans le plan-image. 25 A partir de ce dessin, et de la connaissance des caractéristiques du parallélogramme, à priori connues, le procédé permet de retrouver d'une manière simple la position et l'orientation du cluster dans le repère Ro. Une seconde variante de réalisation est de considérer un dispositif 30 optique comportant au moins une caméra et un casque de pilote comportant des diodes émettrices regroupées en cluster. Au moins un cluster forme un parallélogramme A'B'C'D', dont les sommets sont des diodes. Dans ces conditions, la zone de débattement est tout ou une partie du cockpit. 2905455 11 Le centre du repère Ro est la caméra, la plan (O, j, k) est le plan- image de la caméra. La caméra obtient, alors, dans son plan-image la représentation du quadrilatère ABCD issu de la projection du parallélogramme A'B'C'D' dans le plan-image. 5 Les moyens d'analyse peuvent donc à partir de la connaissance de la représentation du quadrilatère dans un plan-image connu et des caractéristiques du parallélogramme connues à priori, retrouver la position et l'orientation du cluster. 10 REVENDICATIONS 1. Procédé de détection optique de position et d'orientation d'un objet au moyen d'un dispositif optique comportant au moins un premier parallélogramme (A'B'C'D') solidaire dudit objet, dont les caractéristiques sont connues et comprenant des moyens optiques et ~o des moyens d'analyse électroniques permettant de déterminer les coordonnées des quatre sommets du premier parallélogramme (A'B'C'D'), dans un repère (Ro (O, ï , j, k )), orthonormé, comprenant un centre (0), ledit repère comprenant un plan (O, j, k) parallèle au plan-image (Pi), ledit procédé étant caractérisé par : 15 une première étape de définition d'un second parallélogramme de référence (AoBoCoDo) dont le centre (0) est le centre du repère (Ro (O, )), possédant les mêmes caractéristiques que le premier parallélogramme (A'B'C'D'), situé dans le plan (O, j,k) parallèle au plan image (Pi) ; 20 une deuxième étape de définition de la transformation par laquelle le premier parallélogramme (A'B'C'D') est l'image du second parallélogramme (AoBoCoDo), celle-ci se décomposant en une translation û et une rotation vectorielle r. une troisième étape de détermination par les moyens optiques, 25 d'un quadrilatère (ABCD), obtenu par projection du premier parallélogramme (A'B'C'D') dans le plan-image (Pi), d'abscisse Xi, non nulle, dans le repère (RO) de centre 0, selon une direction perpendiculaire (i) au plan image (Pi), une quatrième étape de détermination : 30 o d'un premier point (E) appartenant au plan-image (Pi), lorsqu'il existe, tel que le premier point (E) est l'intersection des droites formées par deux cotés opposés du quadrilatère (AB, CD) ; o d'un second point (F) appartenant au plan-image (Pi), 35 lorsqu'il existe, tel que le second point (F) est 2905455 13 l'intersection des droites formées par les deux autres cotés du quadrilatère (AC, BD), o d'un premier vecteur (0E), reliant le centre du repère (0) et le premier point (E) ; o d'un second vecteur (OF ), reliant le centre du repère (0) et le deuxième point (F) ; une cinquième étape de détermination des images respectives des vecteurs unitaires (i, j,k ), définissant le repère (Ro), par la rotation (r ) de la transformation, en fonction des premier et second vecteurs (OE , OF) et des caractéristiques connues du second parallélogramme (AoBoCoDo) ; une sixième étape de détermination de la translation (û) de la transformation en fonction des premier et second vecteurs (OE ,OF ), du vecteur reliant le centre du repère (0) à un sommet du quadrilatère (ABCD) et des caractéristiques connues du second parallélogramme (AoBoCoDo)• 2. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une septième étape de détermination des coordonnées des 20 sommets (A', B', C', D') du premier parallélogramme dans le repère (Ro), en fonction des coordonnées connues des sommets du second parallélogramme (AoBoCoDo) et de la transformation composée d'une translation (û) et d'une rotation (r) . 25 3. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le parallélogramme est un losange. 4. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le parallélogramme est un rectangle. 5. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le parallélogramme est un carré. 6. Procédé de détection optique selon l'une quelconque des 35 revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif comprend des 5 10 15 30 2905455 14 moyens optiques comprenant un vidéo-projecteur holographique émettant dans un plan-image des motifs lumineux nets en tout point de la zone de débattement correspondant à l'espace dans lequel l'objet est susceptible de bouger et au moins deux capteurs matriciels 5 linéiques identiques et parallèles entre eux, disposés sur l'objet, les quatre extrémités de ces deux capteurs formant un parallélogramme. 7. Procédé de détection optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif comprend des io moyens optiques comprenant une caméra et au moins quatre diodes émettrices disposées sur l'objet dont chacune représente les extrémités d'un parallélogramme. 8. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisé en ce que l'objet est un casque de pilote, l'ensemble du dispositif optique étant installé dans un cockpit d'aéronef.