Brevet FR2976069A1 — publié le 20121207

CARACTERISATION DES DEFORMEES D'UN ORGANE EN ROTATION PAR STEREOCORRELATION D'IMAGES [0001 La présente invention concerne un procédé de caractérisation des déformées modales ou en service, hors plan et dans le plan, d'un organe en rotation par stéréo-corrélation d'images. [0002] Elle s'inscrit dans le cadre des éléments en rotation présents sur un moteur tels qu'une poulie arbre à came, une poulie Damper, une poulie pompe à eau, un volant moteur, une poulie d'alternateur, un galet tendeur ou enrouleur, sur un véhicule tel qu'une roue, ou, de manière succincte, sur tout élément en rotation. [0003] L'objectif premier de l'invention est de déterminer le champ de 10 déplacement et / ou de déformation d'un organe ou d'une structure soumis à des sollicitations mécaniques, thermiques, thermo mécaniques ...etc. [0004] Selon l'état de la technique, les déformées modales, issues d'une analyse modale préalable, ou en service, d'organes en rotation ne peuvent être obtenues qu'à partir de capteurs sans contact, donc de manière 15 purement optique. C'est pour cette raison que l'on trouve dans le commerce des vibromètres laser ou à balayage dont l'objectif est de suivre l'évolution d'un point, préalablement déterminé à la surface de l'objet, en fonction d'une sollicitation moteur. Un autre système de mesure, équipé d'un capteur de stéréovision, permet de suivre l'évolution d'une partie ou de l'intégralité de la 20 surface d'un organe en translation mais sous certaines conditions restrictives. [0005] L'inconvénient majeur de ces systèmes de mesure connus par vibrométrie laser réside dans le fait qu'il n'est possible d'observer qu'un seul et unique point de mesure à la fois. Par conséquent, pour obtenir le 25 comportement vibratoire de la totalité de l'organe à considérer, il est nécessaire de réaliser une multitude de points de mesure afin d'obtenir un maillage de cet organe qui soit représentatif de sa géométrie. Le nombre de points de mesure à effectuer est fonction de la complexité de la géométrie de l'organe mais également de la fréquence de résonnance à laquelle correspond la déformée modale à identifier. Par conséquent, les essais issus de ce type d'étude sont coûteux. [0006] La seconde technologie connue, fondée sur un système basé sur la stéréo-corrélation d'images n'est pas plus satisfaisant dans la mesure où il ne permet pas de suivre un organe en rotation au-delà d'une variation angulaire supérieure à 5°. [0007] Pour pallier les inconvénients précités, la présente invention propose un procédé prévoyant l'acquisition de multiples paire d'images stéréoscopique - typiquement plusieurs milliers - pour obtenir les champs de déplacement associés aux déformées modales ou en service hors plan et dans le plan d'un organe en rotation à grande vitesse, de l'ordre de plusieurs mètres par seconde, en associant un système de stéréo-corrélation d'images à un système de projection de mouchetis pseudo-aléatoire. [0008] Ainsi, l'invention a pour objet un procédé de caractérisation des déformées modales ou en service hors plan et dans le plan d'un organe en rotation comprenant, après une étape de calibrage, les étapes suivantes : - la projection sur ledit organe d'un mouchetis pseudo-aléatoire ; - la prise d'une pluralité de paires d'images stéréoscopiques successives par l'intermédiaire de deux caméras situées de part et d'autre d'un axe orthogonal audit organe ; - le stockage desdites paires d'images stéréoscopiques sur une unité de 25 stockage ; - le post-traitement informatique desdites paires d'images comprenant : o pour chaque paire d'images prise à un instant t de référence, la recherche dans une deuxième image d'un pixel stéréo-correspondant à un pixel de la première image de ladite paire d'images ; o le suivi par corrélation, dans la paire d'images prise à l'instant t+dt suivant, dudit pixel de la première image ; o la recherche dans la deuxième image de la paire d'images prise à l'instant t+dt suivant d'un pixel stéréo-correspondant audit pixel de la première image ; o la mesure, par triangulation, du déplacement dudit pixel entre l'instant t de référence et l'instant t+dt suivant de manière à déterminer le déplacement ou la déformation de l'organe en rotation. [0009] Avantageusement, le post-traitement informatique comprend la recherche, dans la deuxième image de chaque paire d'images d'un ensemble de pixels stéréo-correspondant à un ensemble de pixels de la première image. [0010] Avantageusement, le procédé selon l'invention appliqué à un organe peint en blanc pour optimiser le contraste du mouchetis pseudo-aléatoire 20 projeté. [0011] Avantageusement, l'organe en rotation étant un galet tendeur. [0012] Avantageusement, la projection du mouchetis pseudo-aléatoire est réalisée au moyen d'une source d'éclairage stroboscopique. [0013] Avantageusement, la prise de paires d'images stéréoscopiques est 25 synchronisation sur le moment où apparaît le mouchetis projeté par l'éclairage stroboscopique sur l'organe en rotation. [0014] Avantageusement, la projection du mouchetis est réalisée au moyen d'une source d'éclairage continue. [0015] Avantageusement, la prise de paires d'images stéréoscopiques est synchronisée sur la fréquence de résonnance de l'organe en rotation au 5 moyen d'une horloge interne ou externe. [0016] Avantageusement, la prise de paires d'images stéréoscopiques est synchronisée sur un événement externe, la synchronisation étant obtenue au moyen d'une horloge externe réalisée au moyen d'une cible codée adaptée. [0017] Avantageusement, l'invention concerne également un dispositif pour 10 la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprenant : - deux caméras situées de part et d'autre d'un axe orthogonal à l'organe en rotation ; - un capteur de stéréovision auquel lesdites deux caméras sont associées pour la prise de paires d'images stéréoscopiques ; 15 - un projecteur constituant une source d'éclairage continue ou stéréoscopique ; - une plaque de verre comprenant un mouchetis et intégrée audit projecteur de tel sorte que le mouchetis soit projeté sur l'organe en rotation ; 20 - une unité informatique de stockage des images stéréoscopiques et de post-traitement informatique adapté desdites images stéréoscopiques. [ools] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent : 25 - la figure 1 : une représentation de l'organe en rotation à caractériser ; - la figure 2 : le schéma de principe du procédé selon l'invention ; - la figure 3 : l'illustration d'un exemple de dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. [0019] La figure 1 présente une vue d'un organe O en rotation, en l'espèce une courroie d'un moteur M. L'objet de l'invention concerne la mesure d'un déplacement ou d'une déformation de l'organe O, défilant à haute vitesse, en associant les caractéristiques techniques d'un système de stéréo-corrélation d'images à une technique de mouchetis projeté pour obtenir au final un dispositif et un procédé permettant d'aboutir au résultat escompté. [0020] Les demandes de brevet WO/2004/017020 et US2007204684 font référence à l'utilisation d'un mouchetis projeté à la surface d'un objet pour obtenir un champ de déplacement. [0021] L'élément à caractériser, l'organe O en rotation représenté à la figure 1, est « virtuellement » recouvert d'un mouchetis pseudo-aléatoire, totalement désolidarisé de la surface de l'objet. Il faut noter qu'il est fortement conseillé de peindre en blanc la partie de l'organe à caractériser afin d'en optimiser le contraste. Cette technique de projection de mouchetis permet d'obtenir visuellement un semblant d'image fixe par rapport au mouchetis alors que l'élément est bel et bien en rotation. [0022] Comme représenté à la figure 2, après une phase 1 de calibrage des caméras gauche et droite, respectivement CAM 1 et CAM 2, le procédé selon l'invention prévoit l'acquisition de successions de paires d'images stéréoscopiques. [0023] Lors d'une phase 3, le procédé selon l'invention comprend une étape de recherche, dans l'image de droite prise à l'instant t, lmd(t), du stéréo-correspondant d'un pixel de l'image de gauche au même instant Img(t) ; cette recherche permet la reconstruction en trois dimensions de l'organe 0 à l'instant t. Puis, à la phase 4, le pixel de l'image de gauche est suivi dans l'image de gauche prise à l'instant t+dt, lmg(t+dt). Enfin, la phase 5 correspond à une recherche dans l'image de droite prise à l'instant t+dt, Imd(t+dt), du stéréo-correspondant dudit pixel de l'image de gauche lmg(t+dt). Cette recherche permet la reconstruction en trois dimensions de l'organe O à l'instant t+dt. [0024] Par post-traitement informatique des paires d'images stéréoscopiques prises, le procédé selon l'invention permet ainsi la reconstitution du champ de déplacement de l'organe O. Ce post-traitement repose sur le principe de triangulation pour établir, à partir de deux images, les coordonnées tridimensionnelles d'un point dans l'espace. [0025] En pratique, visuellement, alors que l'organe O est clairement en rotation, l'encodage surfacique, à savoir le mouchetis projeté sur l'élément à caractériser ne semble pas évoluer. Il s'agit d'une illusion due au fait que les déplacements de cet élément sont trop faibles pour être perçus par l'oeil. Le champ de déplacement de l'organe en rotation est reconstitué grâce à deux caméras CAM1 et CAM2 qui acquièrent une séquence de paires d'images stéréoscopiques dont la fréquence d'échantillonnage pourra être fonction soit d'une horloge interne ou externe, propre au dispositif de stéréo-corrélation d'images ou à un générateur de signaux, soit d'une horloge externe provenant d'une cible codée positionnée au niveau d'un axe en rotation, ce qui permettrait de travailler directement sur des ordres moteurs, plutôt qu'à fréquence fixe. [0026] Comme évoqué ci-dessus, la technique de triangulation nécessite l'appariement spatial par stéréo-corrélation de pixels situés à la fois dans l'image de gauche Img(t), Img(t+dt) et dans l'image de droite lmd(t), Imd(t+dt), afin d'obtenir une reconstruction en trois dimensions de l'organe en rotation à caractériser. La projection du mouchetis pseudo-aléatoire, correspondant à une répartition de tâches noires sur un fond blanc, est indispensable afin de minimiser les risques d'un mauvais appariement de pixels. [0027] Dans le cadre de cette invention, le mouchetis est projeté sur la surface de l'organe à l'aide d'un projecteur, et non peint à la surface dudit organe, et devient par conséquent indépendant de l'organe à caractériser, ce qui permet d'obtenir le champ de déplacement de la totalité de l'organe en une fraction de seconde, y compris pour des vitesses de rotation élevées, et quel que soit le déplacement angulaire observé. Grâce à ce procédé, le mouchetis semble fixe alors que l'organe est en rotation. [0028] Ce procédé de projection du mouchetis peut être réalisé de différentes manières mais pour caractériser le comportement vibratoire d'organes en rotation à des vitesses de plusieurs mètres par seconde, il est indispensable d'utiliser une source lumineuse homogène, et dont l'éclairement soit suffisant pour qu'à ces vitesses, il soit possible de mener à bien les différentes étapes de corrélation d'images. Pour cela, il est possible d'utiliser soit une source d'éclairage continue soit une source d'éclairage stroboscopique à l'intérieur desquelles on intègre une platine, une plaque de verre, sur laquelle le mouchetis est réalisé. [0029] En fonction du type de source retenu - continue ou stroboscopique - , l'acquisition des paires d'images stéréoscopiques peut être déclenchée indépendamment de l'éclairage ou simultanément. En effet, sous éclairage stroboscopique, il est capital que le mouchetis apparaisse au moment exact où l'acquisition des images s'opère contrairement à l'éclairage continu où cette notion de simultanéité n'a pas lieu d'être. Cette dernière remarque est importante puisqu'elle permet d'introduire les notions de fréquence de résonnance et de suivi d'ordre [ooso] En effet, selon le cas, on peut chercher à obtenir la déformée modale d'un organe associée à l'une de ses fréquences de résonance ou associée à un suivi d'ordre externe, à partir d'une montée en régime moteur par exemple. Dans le premier cas, une simple horloge interne ou externe est envisageable à partir du moment où les fréquences d'échantillonnage et / ou stroboscopique sont proches de la fréquence de résonance de l'organe à caractériser. [0031] Dans le second cas, potentiellement soumis à des phénomènes d'acyclisme, il est possible de rencontrer des irrégularités au niveau de la vitesse de rotation du moteur, selon l'exemple choisi. Il convient donc de recaler chaque paire d'images, par rapport à un évènement moteur, ce qui implique l'utilisation d'une horloge externe pouvant être réalisée à partir d'une cible codée. Une fibre optique peut être positionnée face à la cible afin d'acquérir un signal carré ou sinusoïdal dont la période est caractéristique des variations de contraste qui la constitue. De ce fait, chaque image sera acquise en fonction d'une position angulaire bien définie et répétable au cours de la caractérisation, et ce, quel que soit le type d'éclairage - continu ou stroboscopique. [0032] La figure 3 représente un exemple de dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé précédemment décrit. [0033] Dans l'exemple présent, les caméras CAM1 et CAM2 sont positionnées rigidement sur leur support T multidirectionnel, et acquièrent des paires d'images simultanément par l'intermédiaire d'un capteur de stéréovision S avec une fréquence d'échantillonnage pouvant s'étendre de 1 Hz à plusieurs dizaines de kHz ou bien à l'angle par l'intermédiaire d'une cible codée. Ces paires d'images sont d'abord stockées dans les caméras puis transférées vers une unité de traitement informatique. Un post- traitement s'opère ensuite afin d'obtenir les déformées de l'organe O en rotation, soit en fonction d'une fréquence de résonance soit en fonction d'un ordre externe. [0034] Une plaque en verre, non représentée, sur laquelle un mouchetis pseudo-aléatoire est déposé, est insérée à l'intérieur du projecteur P. Lorsque ce dernier est en fonctionnement, le mouchetis est projeté à la surface de l'organe en rotation. Ce projecteur P peut être une source d'éclairage continu ou stroboscopique, conformément aux éléments de description précédents, relatifs à la figure 2. [0035] En résumé, l'invention a pour principal avantage de permettre la caractérisation d'une déformation modale ou en service d'un organe en rotation, y compris à haute vitesse, par combinaison d'une technique de projection de mouchetis et d'une technique de stéréo-corrélation de paires d'images.10 REVENDICATIONS1. Procédé de caractérisation des déformées modales ou en service hors plan et dans le plan d'un organe (0) en rotation, tel qu'un brin de courroie, comprenant, après une étape de calibrage, les étapes suivantes : - la projection sur ledit organe (0) d'un mouchetis pseudo-aléatoire ; - la prise d'une pluralité de paires d'images stéréoscopiques (Img(t), Img(t+dt), lmd(t), Imd(t+dt)) successives par l'intermédiaire de deux caméras (CAM1, CAM2) situées de part et d'autre d'un axe orthogonal audit organe (0) ; - le stockage desdites paires d'images stéréoscopiques (Img(t), Img(t+dt), Imd(t), Imd(t+dt)) sur une unité de stockage ; - le post-traitement informatique desdites paires d'images stéréoscopiques (Img(t), Img(t+dt), lmd(t), Imd(t+dt)) comprenant : o pour chaque paire d'images (Img(t), Imd(t)) prise à un instant t de référence, la recherche dans une deuxième image (Imd(t)) d'un pixel stéréo-correspondant à un pixel de la première image (Img(t)) de ladite paire d'images (Img(t), Imd(t)) ; o le suivi par corrélation, dans la paire d'images (Img(t+dt), Imd(t+dt)) prise à l'instant t+dt suivant, dudit pixel de la première image (Img(t+dt)) ; o la recherche dans la deuxième image (Imd(t+dt)) de la paire d'images (Img(t+d), Imd(t+dt)) prise à l'instant t+dt suivant d'un pixel stéréo-correspondant audit pixel de la première image (Img(t+dt)) ; 20o la mesure, par triangulation, du déplacement dudit pixel entre l'instant t de référence et l'instant t+dt suivant de manière à déterminer le déplacement ou la déformation de l'organe (0) en rotation. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le post-traitement informatique comprend la recherche, dans la deuxième image (Imd(t), Imd(t+dt)) de chaque paire d'images stéréoscopiques (Img(t)-Imd(t), Img(t+dt)-Imd(t+dt)) d'un ensemble de pixels stéréo-correspondant à un ensemble de pixels de la première image (Img(t), Img(t+dt)). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, appliqué à un organe (0) peint en blanc pour optimiser le contraste du mouchetis pseudo-aléatoire projeté. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 l'organe (0) en rotation étant un galet tendeur. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la projection du mouchetis pseudo-aléatoire étant réalisée au moyen d'une source d'éclairage (P) stroboscopique. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la prise de paires 20 d'images stéréoscopiques (Img(t), Img(t+dt), lmd(t), Imd(t+dt)) est synchronisée sur le moment où apparaît le mouchetis projeté par l'éclairage (P) stroboscopique sur l'organe (0) en rotation. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la projection du mouchetis est réalisée au moyen d'une source d'éclairage (P) continue. 25 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la prise de paires d'images stéréoscopiques (Img(t), Img(t+dt),lmd(t), Imd(t+dt)) est synchronisée sur la fréquence de résonance de l'organe (0) en rotation au moyen d'une horloge interne ou externe. 9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la prise de paires d'images stéréoscopiques (Img(t), Img(t+dt), lmd(t), Imd(t+dt» est synchronisée sur un événement externe, la synchronisation étant obtenue au moyen d'une horloge externe réalisée au moyen d'une cible codée adaptée. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant : - deux caméras (CAM1, CAM2) situées de part et d'autre d'un axe 10 orthogonal à l'organe en rotation ; - un capteur de stéréovision (S) auquel lesdites deux caméras (CAM1, CAM2) sont associées pour la prise de paires d'images stéréoscopiques ; - un projecteur (P) constituant une source d'éclairage continue ou 15 stéréoscopique ; - une plaque de verre comprenant un mouchetis et intégrée audit projecteur (P) de telle sorte que le mouchetis soit projeté sur l'organe en rotation ; - une unité informatique de stockage des images stéréoscopiques et de 20 post-traitement informatique adapté desdites images stéréoscopiques.