Brevet FR2947638A1 — publié le 20110107

L'invention concerne l'estimation des distances par un procédé de télémétrie à ultrasons mis en oeuvre par des drones, notamment pour la mesure de l'altitude à laquelle évolue le drone. Le drone est muni d'un transducteur électroacoustique permettant l'émis- sion et la réception d'ultrasons. Ce transducteur émet une brève salve d'ultrasons de quelques dizaines ou centaines de microsecondes, puis attend le retour de l'écho acoustique envoyé après réflexion sur le sol. Le laps de temps séparant l'émission de la salve de la réception de l'écho permet, connaissant la vitesse du son, d'estimer la longueur du chemin acoustique parcouru et donc d'évaluer l'altitude du drone. Cette mesure est réitérée à intervalles rapprochés, avec une périodicité d'émission des salves d'ultrasons correspondant à une fréquence dite "fréquence de récurrence", généralement liée à la fréquence de fonctionnement de la centrale inertielle du drone. La période séparant deux sal- ves, dénommée "période d'acquisition" ou "trame temporelle", est consacrée à détecter le(s) pic(s) de signal acoustique correspondant à la réception d'un écho. Généralement, cette analyse est opérée numériquement, le temps écoulé depuis la salve d'ultrasons étant alors exprimé en nombre d'échantillons, comptés à la fréquence d'échantillonnage du circuit numé- rique. En pratique, après émission d'une salve unique, le transducteur reçoit une pluralité d'échos, résultant de réflexions multiples ou de réflexions sur des cibles autres que le sol. La télémétrie par ultrasons présente en effet la particularité d'être assez peu directive, et donc sujette à la multiplication des échos parasites. Lorsque plusieurs drones similaires évoluent simultanément à proximité les uns des autres, une difficulté particulière apparaît, tenant au fait que pendant la période d'acquisition suivant l'émission d'une salve, un drone peut recevoir non seulement des échos de son propre signal (écho utile, correspondant à la réflexion sur le sol, ou échos parasites produits par d'autres réflexions de ce même signal), mais également des signaux acoustiques issus des transducteurs d'autres drones, conduisant alors à une perturbation des mesures. Il est relativement aisé de filtrer les échos parasites produits par les ré-35 flexions multiples, car ils se manifesteront le plus souvent après l'arrivée de l'écho réel. En revanche, il est très difficile de discriminer les échos provenant d'une salve émise par un autre drone, notamment lorsque les trajets de propagation ont des longueurs relativement proches. La présente invention vise à résoudre ce problème particulier tenant à la perturbation des mesures en présence de plusieurs drones similaires fonctionnant en même temps. L'idée de base de l'invention repose sur le fait que, si l'on prévoit des fréquences de récurrence légèrement différentes pour deux drones, on observera pour un drone donné, au fur et à mesure des trames d'acquisition successives, une dérive de la position du pic correspondant à l'écho reçu en provenance de l'autre drone. L'invention propose d'utiliser cette propriété pour reconnaître et filtrer les pics parasites provenant d'une salve émise par un autre drone, de manière à ne conserver que le pic utile correspondant à la distance à estimer à partir de l'écho produit par la salve d'ultrasons émise par le drone consi- déré. Plus précisément, l'invention propose un procédé comprenant, de manière en elle-même connue, les étapes suivantes : a) émission, à partir d'un instant d'origine des temps, d'une salve d'ultra-20 sons, cette émission étant répétée à une fréquence de récurrence prédéterminée ; b) après la fin de chaque émission et pendant la durée d'une trame temporelle séparant deux émissions consécutives, réception d'une pluralité de pics de signal successifs apparaissant à des instants d'arrivée 25 respectifs au cours de la même trame, ces pics de signal successifs incluant des pics parasites et un pic utile correspondant à la distance à estimer. Le procédé de l'invention est caractérisé par les étapes supplémentaires suivantes : 30 c) pour deux trames consécutives, comparaison des instants d'arrivée des p pics de signal de la trame courante avec les instants d'arrivée des q pics de signal de la trame précédente et détermination, pour chacun des p.q couples de pics, d'un écart temporel relatif correspondant ; d) application aux p.q écarts temporels relatifs déterminés à l'étape c) d'au moins un critère de sélection permettant de ne retenir qu'un seul pic de la trame courante ; et e) estimation de la distance en fonction de l'instant d'arrivée du pic rete- nu à l'étape d) par rapport à l'instant d'émission de la dernière salve. La mise en oeuvre préférentielle du procédé de l'invention comprend en outre, pour le drone considéré, une étape préalable d'ajustement de la fréquence de récurrence à une valeur prédéterminée différente de la fréquence de récurrence correspondante d'un autre drone destiné à être uti- lisé en même temps que le drone considéré, l'étape b) incluant la réception éventuelle de pics parasites issus d'émissions de salves d'ultrasons en provenance de l'autre drone. La différence entre les fréquences de récurrence du drone considéré et de l'autre drone est avantageusement comprise entre 3% et 10%, de pré- férence 5%. Avantageusement, l'étape d) inclut, comme critère de sélection, un filtrage par lequel ne sont conservés que les pics de la trame courante pour les-quels l'écart temporel relatif avec les pics de la trame précédente est inférieur à un seuil prédéterminé. Dans une première mise en oeuvre, le seuil est déterminé en fonction de la variation maximale de chemin acoustique entre deux positions du drone à deux instants d'émission consécutifs, pour un déplacement du drone à sa vitesse maximale dans la direction d'estimation de la distance. Ce seuil peut notamment être déterminé par l'expression : Vmax FS D = 2. C Fdrone D étant la valeur du seuil exprimée en nombre d'échantillons, Vmax étant la vitesse maximale du drone dans la direction d'estimation de la distance, FS étant la fréquence d'échantillonnage du signal reçu, c étant la vitesse de propagation du son, et Fdrone étant la fréquence de récurrence des émissions de salves. Dans une deuxième mise en oeuvre, le seuil précité est augmenté d'un terme correctif fonction de la largeur temporelle de la salve d'ultrasons, notamment conformément à l'expression : Vmax FS D = 2. + W.FS , C Fdrone W étant la largeur temporelle de la salve, en nombre d'échantillons. En cas de pluralité de pics conservés après le filtrage résultant de l'application du seuil précité, l'étape pour ne conserver qu'un seul pic, l'étape d) 10 peut prévoir de sélectionner pour ce seul pic celui qui apparaît en premier (ou, en variante, en dernier) dans la trame courante, dans l'ordre de sur-venue des pics de signal successifs. 0 15 On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels les mêmes références numériques désignent des éléments identiques ou fonctionnellement semblables. 20 La Figure 1 illustre schématiquement deux drones évoluant à proximité l'un de l'autre, et montre les différents signaux susceptibles d'être captés par le transducteur à ultrasons. La Figure 2 présente deux chronogrammes montant, pour chacun des deux drones de la Figure 1, les différents instants d'émission et de récep-25 tion des signaux acoustiques à ultrasons. La Figure 3 montre la position temporelle, au cours de trois trames d'acquisition successives, des pics de signal reçu et la manière de les discriminer. 0 Sur la Figure 1, on a représenté un drone Dl évoluant à une altitude h au-dessus du sol S. Le drone Dl est muni d'un transducteur électroacoustique T1 permettant l'émission/réception d'ultrasons en direction du sol. 30 La technique normale de télémétrie consiste à émettre en direction du sol une brève salve d'ultrasons (par exemple de durée 300 las), et de compter le temps de retour après réflexion sur le sol, pour en dériver l'altitude h. Une difficulté particulière se présente lorsqu'un autre drone D2, de conception semblable au drone Dl, évolue à proximité de Dl. Ce drone est également muni d'un transducteur T2 semblable à Ti, qui émet aussi des salves d'ultrasons, à une fréquence de récurrence proche de celle de la fréquence de récurrence de l'émission des ultrasons par le transducteur T1. Le signal acoustique reçu par T1 est donc susceptible d'être parasité par les échos du signal émis par Ti et réfléchis sur D2 (qui risque d'être confondu avec le sol S) et, d'autre part et surtout, par les ultrasons émis par T2 et captés par T1. Compte tenu des fréquences de récurrence relativement proches de Dl et D2, ce dernier signal peut introduire des perturbations importantes, par exemple si les drones volent à des altitudes comparables. Dans ce cas, le drone Dl ne pourra plus faire la distinction entre les échos provenant des salves émises par son propre transducteur Ti et les échos provenant des salves émises par le transducteur Ti de l'autre drone D2. L'invention a essentiellement pour but de résoudre cette difficulté. Au préalable, les fréquences de récurrence respectives des drones Dl et D2 sont ajustées de manière à présenter une légère différence, typique-ment de l'ordre de 3 à 10 %, de préférence 5 %. Afin de mieux comprendre ce choix des fréquences de récurrence, on peut calculer la vitesse apparente minimale du drone parasite durant deux trames successives. Si T et T' (respectivement F et F') sont les périodes (respectivement les fréquences) de récurrence des deux drones, alors le déplacement vu par un drone vaut d,,,,,, = (T' û T)*c (c étant la célérité du son). Ce déplacement est atteint lorsque les drones se déplacent dans des di-rections opposées, configuration correspondant à une vitesse apparente %parente = d,,,1ä1T. Avec une différence de fréquence de x %, (c'est-à-dire F' = F*(1+x/100)), cette vitesse apparente vaut environ l'appa,.Cnte = c*x/100. On obtient donc une vitesse apparente de l'ordre de 17 m/s pour 5 % de différence, ce qui est bien plus grand que les vitesses que l'on cherche à mesurer (de l'ordre del ml) La faible différence des fréquences de récurrence des deux drones va provoquer au fil des trames d'acquisition successives des échos reçus par D4, une légère dérive des échos en provenance du transducteur T2 de l'autre drone D2, par rapport aux échos provenant de son propre transducteur Tl. On va décrire la manière dont ce phénomène peut être détecté analysé, pour discriminer les échos utiles provenant du transducteur TI des échos parasites provenant du transdueur T2 de l'autre drone. Sur la Figure 2, on a illustré sur le chronogramme D4 quatre trames d'acquisition successives, référencées (n- l), (n), (n+l) (n+2), faisant suite à des émissions successives de salves aux instants Sn, .S � S�3 En réponse à l'émission de la salve S g, le transducteur T] du drone Dl reçoit un écho utile End, correspondant à la réflexion sur le sol repré- sentatif de l'altitude réelle du drone. Mais cet écho utile est parasité par d'autres échos tels que E' E", provenant des salves émises par l'autre drone (chronogramme D2 de la Figure 2). Toutefois, du fait de la légère différence des fréquences de récurrence des deux drones ù différence qui a été accentuée sur la Figure 2 pour la clarté de l'illustration ù,l'écart AtSS An+> A t w 2 e n t r e e le pic utile E1,E,E.1.• le pic parasite E' va varier au fil des trames successives. En revanche, le laps dei mpstséparant l'écho utile E n.1, E, y,.. del' ]Une des temps constituée par l'instant d'émission de la salve correspondante Sæs S, S#, .e ne variera pas, ou pratiquement pas. De ce fait, au cours des trames successives, certains pics (dont le pic utile) ne varieront pas ou peu, tandis que d'autres pics (les pics parasites provenant des ultrasons émis par l'autre drone) présenteront une dérive significative, qui permettra de les identifier et de les éliminer ensuite. Pour opércette discrimination, l'algorithme d'analyse stocke, pour chaque t me, les instants de survenue des p pics reçus au cours de la trame numéro ( 1 )sous forme d'un tableau T,_1 m% Üæs .. Çej (le temps étant exprien nombre d'échantillons depuis le début de la salve sous forme d'un indice t représentatif de la position du pic sur l'échelle des temps). L'opération est répétée pour la trame suivante : Tn [i~,,1, i2,n, ... ig,n] pour les q pics détectés au cours de cette trame (la plupart du temps p = q). L'algorithme calcule ensuite, pour chacun des p.q couples de pics, l'écart temporel relatif correspondant, et ne retient que les pics pour lesquels, parmi les q pics de la trame courant, cet écart temporel relatif est inférieur à un seuil D donné (on exposera plus bas la manière dont ce seuil est dé-terminé). En effet, si les écarts temporels relatifs sont supérieurs au seuil, ceci révèle une dérive importante du pic d'une trame à l'autre, révélateur du caractère parasite du pic. Si, au terme de ce filtrage, il subsiste encore plusieurs pics, on applique un critère supplémentaire, par exemple en ne retenant que le premier pic de la trame dans l'ordre de survenue des pics successifs (ceci revient à faire l'hypothèse que les pics ultérieurs correspondent à des réflexions multiples, donc parasites). On peut également, dans certaines configurations, retenir non pas le premier mais le dernier pic dans l'ordre de survenue, par exemple en présence d'échos parasites correspondant à une réflexion sur un autre drone plutôt qu'une réflexion sur le sol. En pratique, le nombre de pics détectés au cours d'une même trame dé- passe rarement 5, de sorte que le nombre de comparaison des instants d'arrivée ne dépasse pas 25, ce qui reste raisonnable en termes de puissance de calcul nécessaire. L'altitude est estimée en fonction de l'instant d'arrivée du pic finalement retenu. On va maintenant expliquer la manière dont on termine le seuil de détection D, en référence notamment à la Figure 3. On utilisera les notations suivantes : D valeur du seuil exprimée en nombre d'échantillons, Vnax vitesse maximale du drone dans la direction d'estimation de la dis- tance, FS fréquence d'échantillonnage du signal reçu, c vitesse de propagation du son, Fdrone fréquence de récurrence des émissions de salves, et W largeur temporelle de la salve, en nombre d'échantillons. La différence de chemin acoustique entre deux émissions successives d'une salve est, pour un drone en mouvement à sa vitesse maximale dans la direction d'estimation de la distance, inférieure à 2 Vmax.Tdrone, c'est-à-dire, en termes de nombre d'échantillons : Vmaz Fs D = 2. c Fdrone Une difficulté se présente toutefois lorsque, comme illustré Figure 3, le pic parasite E'ä chevauche le pic utile Eä lors d'une trame donnée (la trame numéro n sur la Figure 3). On peut voir sur cette figure un décalage du pic utile En_,, En, En+,, au cours des trames successives (n-1), (n), (n+1). Ce décalage est dû au déplacement du drone dans la direction d'estimation de la distance (typiquement un déplacement ascensionnel), mais il est très inférieur au déplacement du pic parasite E',,, E'n+l, déplacement qui est essentiellement dû à la différence entre la fréquence de récurrence du drone D2 et celle du drone Dl. Pour traiter le cas du chevauchement des pics utiles et parasites Eä et E'n, deux possibilités sont envisageables. La première possibilité consiste à conserver pour le seuil la valeur D ex- primée ci-dessus, avec pour conséquence que la trame n ne contiendra aucun pic valide et qu'aucune distance ne pourra être estimée pour cette trame. Une autre possibilité consiste à augmenter le seuil d'un terme correctif W..FS : dans ce cas, un pic valide sera effectivement détecté pour la trame n, mais avec une erreur supplémentaire (W) sur la position de ce pic, donc avec une erreur supplémentaire sur l'estimation de l'altitude du drone. On va donner à titre d'illustration un exemple numérique, sans aucun caractère limitatif, basé sur les valeurs suivantes : V,nax = 1,5 m/s F,=150 kHz c = 340 m/s Fdrone = 50 Hz W= 0,3 ms Avec ces valeurs, le seuil D sans terme correctif est D = 26 échantillons, soit une erreur de 3 cm sur l'altitude du drone à la fréquence d'échantillonnage considérée. Si l'on augmente le seuil D du terme correcteur W.FS, le seuil de détection augmente à 26 + 45 = 71 échantillons, soit une erreur de 8 cm sur l'altitude. La première technique procure ainsi une précision de mesure supérieure, mais avec un plus grand nombre de trames invalides (on peut estimer par simulation le taux de mesures erronés à 1 par seconde). A l'opposé, la second technique délivre des mesures pour pratiquement toutes les trames, mais au prix d'une précision moindre. REVENDICATIONS1. Un procédé d'estimation d'une distance par télémétrie à ultrasons, ce procédé étant mis en oeuvre par un drone (Dl), notamment pour une me- sure d'altitude (h) du drone, comprenant les étapes suivantes : a) émission, à partir d'un instant d'origine des temps, d'une salve d'ultra-5 sons, cette émission étant répétée à une fréquence de récurrence prédéterminée ; b) après la fin de chaque émission et pendant la durée d'une trame temporelle (n-1, n, n+1, ...) séparant deux émissions consécutives, réception d'une pluralité de pics de signal successifs apparaissant à des 10 instants d'arrivée respectifs au cours de la même trame, ces pics de signal successifs incluant des pics parasites E',,, E'ä+1, ...) et un pic utile (Eä_I, En, En+1, ...) correspondant à la distance à estimer ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes : c) pour deux trames consécutives, comparaison des instants d'arrivée 15 des p pics de signal de la trame courante avec les instants d'arrivée des q pics de signal de la trame précédente et détermination, pour chacun des p.q couples de pics, d'un écart temporel relatif correspondant ; d) application aux p.q écarts temporels relatifs déterminés à l'étape c) 20 d'au moins un critère de sélection permettant de ne retenir qu'un seul pic de la trame courante ; et e) estimation de la distance en fonction de l'instant d'arrivée du pic retenu à l'étape d) par rapport à l'instant d'émission de la dernière salve. 25 2. Le procédé de la revendication 1 dans lequel, pour le drone considéré (Dl) mettant en oeuvre le procédé : - il est en outre prévu une étape préalable d'ajustement de la fréquence de récurrence à une valeur prédéterminée différente de la fréquence de récurrence correspondante d'un autre drone (D2) destiné à être utilisé 30 en même temps que le drone considéré, et l'étape b) inclut la réception éventuelle de pics parasites issus d'émissions de salves d'ultrasons en provenance de l'autre drone. 3. Le procédé de la revendication 1, dans lequel la différence entre les fréquences de récurrence du drone considéré (Dl) et de l'autre drone (D2) est comprise entre 3% et 10%, de préférence 5%. 4. Le procédé de la revendication 1, dans lequel l'étape d) inclut, comme critère de sélection, un filtrage par lequel ne sont conservés que les pics de la trame courante pour lesquels l'écart temporel relatif avec les pics de la trame précédente est inférieur à un seuil prédéterminé. 5. Le procédé de la revendication 4, dans lequel ledit seuil est déterminé en fonction de la variation maximale de chemin acoustique entre deux positions du drone à deux instants d'émission consécutifs, pour un déplace-ment du drone à sa vitesse maximale dans la direction d'estimation de la distance. 6. Le procédé de la revendication 5, dans lequel ledit seuil est déterminé par l'expression : Vmav Fs D = 2. c Fdrone D étant la valeur du seuil exprimée en nombre d'échantillons, Vn,a; étant la vitesse maximale du drone dans la direction d'estimation de la distance, FS étant la fréquence d'échantillonnage du signal reçu, c étant la vitesse de propagation du son, et Fdrone étant la fréquence de récurrence des émissions de salves. 7. Le procédé de la revendication 5, dans lequel le seuil est augmenté d'un terme correctif fonction de la largeur temporelle de la salve d'ultra-30 sons. 8. Le procédé de la revendication 7, dans lequel ledit seuil est déterminé par l'expression : Vmax FS D = 2. + W.FS C Fdrone D étant la valeur du seuil exprimée en nombre d'échantillons, Vmax étant la vitesse maximale du drone dans la direction d'estimation de la distance, FS étant la fréquence d'échantillonnage du signal reçu, c étant la vitesse de propagation du son, Fdrone étant la fréquence de récurrence des émissions de salves, et W étant la largeur temporelle de la salve, en nombre d'échantillons. 9. Le procédé de la revendication 4, dans lequel l'étape d) inclut égale- ment, comme critère supplémentaire de sélection en cas de pluralité de pics conservés après filtrage, la sélection du premier pic de la trame courante dans l'ordre de survenue des pics de signal successifs. 10. Le procédé de la revendication 4, dans lequel l'étape d) inclut égale- ment, comme critère supplémentaire de sélection en cas de pluralité de pics conservés après filtrage, la sélection du dernier pic de la trame courante dans l'ordre de survenue des pics de signal successifs.