Brevet FR3048087A1 — publié le 20170825

La présente invention est relative aux systèmes et procédés de détection optique de la position du volant de conduite dans un véhicule automobile. Il est déjà bien connu de disposer des boutons de commande dans les branches du volant qui relient la portion centrale à la jante du volant, par exemple pour 5 commander les fonctions audio et/ou communication ou encore la fonction régulation/limitation de vitesse. Cependant, dans le contexte d'interfaces homme-machine de plus en plus élaborées, cette solution n'est pas souple car les boutons sont souvent dédiés. Il a aussi été proposé des zones tactiles sur une ou plusieurs branches du volant en alternative aux 10 boutons de commande. La sécurité de conduite impose de garder les mains sur le volant ou à proximité immédiate de ce dernier. Certains ont également proposé de détecter, au moyen d'une caméra, certains gestes faits par les doigts du conducteur lorsque la main du conducteur se trouve 15 dans l'environnement du volant. Cependant, la précision d'une telle détection laisse à désirer. En effet, il est commun de proposer un réglage en profondeur et aussi en hauteur du volant de conduite dans une automobile. Par conséquent, la position du volant peut typiquement varier jusqu'à 10 centimètres dans le sens de la profondeur, 20 jusqu'à 10 centimètres dans le sens de la hauteur. Ces réglages en profondeur et en hauteur sont habituellement commandés manuellement et la position de réglage n'est pas électroniquement connue. Par conséquent, les dispositifs de détection par caméra qui peuvent détecter des mouvements de doigts, peuvent souvent donner une interprétation ambigüe de la volonté exprimée par le conducteur. 25 Les inventeurs ont identifié un besoin d'améliorer la détection optique de certains gestes faits par le conducteur par rapport au volant, et particulièrement par rapport à la jante du volant. À cet effet, il est proposé un système de détection de la position d'un volant de conduite d'un véhicule automobile, le volant étant doté d'un système de réglage de 30 position, au moins en profondeur, le système comprenant : - un dispositif de détection optique matriciel à détection tridimensionnelle, connu en langue anglaise sous le terme de « Time-of-Flight Camera » (ou « ToF » camera), dont une version particulièrement simplifiée comprend une source de lumière infrarouge et un capteur optique matriciel, 35 - des éléments de repérage optique agencés sur la jante du volant, du côté opposé au conducteur, 3048087 2 - le dispositif de détection optique matriciel étant agencé à proximité ou dans un combiné d'instrument du véhicule, et étant configuré pour détecter les éléments de repérage optique sur le volant et en déduire la position de réglage du volant au moins en profondeur. Grâce à un tel système, la position de réglage du volant, notamment en profondeur, peut être déterminée, afin de pouvoir corriger en permanence la position (les positions) de la zone d'intérêt dans laquelle (lesquelles) sont observés les mouvements de doigts. Avantageusement, le conducteur garde les mains en prise ou à proximité 10 immédiate du volant, et peut faire des gestes de commande en gardant un bon contrôle du volant de direction. Dans divers modes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - les éléments de repérage comprennent au moins 3 repères optiques quasi- 15 ponctuel, de préférence chacun avec une forme différente ; grâce à quoi, ces repères optiques quasi-ponctuel sont faciles à isoler et localiser, et on peut facilement reconstruire géométriquement la position du volant ; - le volant a une position neutre correspondant à une conduite en ligne droite, un des repères optiques quasi-ponctuel étant localisé dans la position la plus haute 20 lorsque le volant est en position neutre ; moyennant quoi, il est facile de repérer cette marque et de déterminer l'angle de rotation du volant ; - les éléments de repérage sont disposés sensiblement sur une courbe en arc suivant la jante du volant ; avantageusement, on peut reconstruire un pseudo centre de cet arc courbe et en déduire le réglage courant en hauteur du volant ; 25 - les éléments de repérage optique peuvent comprendre des éléments miroirs et/ou des pièges de lumière ; ceci permet de les distinguer facilement des autres objets de l'environnement qui réfléchissent plus ou moins les rayons infrarouges ; - il est prévu une analyse corrélée des échos de lumière par rapport à la lumière infrarouge émise de façon pulsée, la différence de phase constatée permettant 30 de calculer la distance des éléments de repérage optique par rapport au capteur optique matriciel ; on met ainsi à profit le principe de caméra à détection tridimensionnelle « temps de vol » pour obtenir des distances de profondeur ; - la position de réglage en hauteur du volant et/ou la position de réglage en profondeur peuvent être déterminées par traitement géométrique des images 35 captées et/ou par résultat des mesures de distance obtenues par procédé « temps de vol/propagation » ; on peut ainsi confirmer et confronter les données 3048087 3 obtenues du diamètre apparent et de la position du centre avec les données de distance. Par ailleurs, l'invention vise aussi un procédé pour détecter la position d'un volant de conduite d'un véhicule automobile, notamment la position en hauteur et/ou la 5 position en profondeur, dans un système de détection comprenant un dispositif de détection optique matriciel, connu en langue anglaise sous le terme de « Time-of-Flight Camera », avec une source de lumière infrarouge et un capteur optique matriciel, et des éléments de repérage optique agencés sur la jante du volant, du côté opposé au conducteur, le procédé comprenant les étapes suivantes : - faire émettre par une source de la lumière infrarouge modulée, - détecter, par le capteur optique matriciel, les échos lumineux réfléchis ou piégés par les éléments de repérage optique, - procéder à des calculs permettant de déterminer la différence de phase sur chaque point de la matrice et en déduire la distance entre le capteur optique matriciel et les différents éléments de repérage optique sur la jante du volant, - en déduire la position en hauteur et/ou la position en profondeur du volant. La position angulaire du volant peut aussi être en outre déterminée par la détection de la position d'un repère « zéro-ref ». Il n'est pas exclu d'obtenir ou de corréler la position du volant (réglage et position angulaire) en provenance d'autres moyens. Selon le procédé, on recalcule en permanence la position de la ou des zone(s) d'observation ZC pour les mouvements de doigts. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. L'invention sera également mieux comprise en regard des dessins joints sur 25 lesquels : - la figure 1 représente un schéma général en vue de face d'un poste de conduite automobile, - la figure 2 représente une vue schématique en coupe du poste de conduite de la figure 1, 30 - la figure 3 représente une vue de la face arrière du volant de conduite de la figure 1, avec des éléments de repérage, - la figure 4 montre un diagramme fonctionnel du système, - les figures 5, 6A et 6B montrent le principe de détection optique avec une mesure du déphasage liée au temps de propagation des ondes 35 lumineuses, - la figure 7 montre un diagramme illustrant plusieurs positions détectées suivant plusieurs configurations de conduite, 3048087 4 - la figure 8 est analogue à la figure 3 et montre une variante concernant les repères optiques spécifiques, - la figure 9 montre un exemple d'utilisation fonctionnelle. La figure 1 représente la zone centrale du poste de conduite depuis le point 5 de vue du conducteur (en situation de conduite en ligne droite). Dans le poste de conduite, en face du conducteur, on trouve un combiné d'instruments 9 qui, dans le cas présent, comporte une (ou plusieurs) zone d'affichage digitale 19 (LCD ou pixelisée), un volant 8 de direction (« de conduite ») pour diriger le véhicule, le volant 8 étant monté à rotation autour de l'axe X (mouvement repéré par la variable 0) et comprenant une 10 jante 82. Le combiné d'instruments 9 forme un dispositif d'affichage qui peut en outre comprendre divers témoins, voyants, cadrans, connus en soi. Par ailleurs, il y a d'autres dispositifs d'affichage et d'autres dispositifs de commande qui se trouvent dans le champ de vision générale du conducteur. Le conducteur peut être amené à interagir avec plusieurs systèmes embarqués à bord du 15 véhicule, comme par exemple l'autoradio, le système multimédia, la climatisation, le système de régulation de distance, etc. Dans l'application illustrée ici, le volant 8 et le combiné d'instruments 9 servent de vecteur d'expression des ordres et commandes que le conducteur veut donner à divers systèmes électroniques embarqués. 20 Par ailleurs, un système de réglage classique de la position du volant 8 comprend une poignée de déverrouillage 4, qui lorsqu'elle est activée, autorise un mouvement en profondeur selon les directions P+ et P- et un mouvement en hauteur selon les directions H+ et H- (cf. Figure 2). Pour l'exemple, on a représenté une position de volant 8 en traits pleins et une autre position en traits pointillés 8'. On note que le réglage de la position du volant 8 se fait préférentiellement à l'installation du conducteur avant de démarrer. Toutefois, la méthode et le système présentés ici peuvent aussi fonctionner si le conducteur corrige le réglage de position pendant le cycle de conduite. Le volant 8 comprend une portion centrale appelée moyeu et une jante 82 30 reliée au moyeu par trois branches 5 dans l'exemple illustré, mais toutefois le nombre de branches 5 peut être quatre ou même deux ou une mono-branche. Il est prévu des boutons 85 de commande classiques sur une ou plusieurs branches 5. En plus des boutons conventionnels, il est prévu une interface gestuelle selon laquelle le conducteur peut manifester avec sa main (ou ses mains) des ordres et 35 commandes tout en gardant les mains sur le volant 8. À cet effet, on prévoit, dans le combiné d'instruments 9 (ou à proximité), un dispositif de détection optique matriciel 1 à détection tridimensionnelle, autrement appelé 3048087 5 en français « caméra temps de vol » et connu en langue anglaise sous le terme de « Time-of-Flight Camera » ou « ToF Camera ». Le dispositif de détection optique matriciel 1 (cf. figure 5) à détection tridimensionnelle, que l'on appellera simplement « caméra 3D » dans la suite, comprend 5 une source de lumière infrarouge 11 et un capteur optique matriciel 12, agencé l'un à côté de l'autre dans un conditionnement intégré. Ce dispositif peut être caché à l'intérieur du combiné d'instruments 9. La lumière émise par la source de lumière est de préférence non visible à l'oeil humain, de façon à éviter tout éblouissement du conducteur. Typiquement, ladite source 10 de lumière émet une lumière infrarouge de longueur pouvant être comprise entre environ 750 nm et environ 950 nm. Par ailleurs, le volant 8 comprend des éléments de repérage optique 2 (cf. figure 3), agencés sur la jante 82 du volant 8, du côté opposé au conducteur. Ces éléments de repérage optique 2 permettent d'améliorer le traitement des 15 images captées, et donc la précision et la fiabilité de la détection, comme il sera vu par la suite. Ces éléments de repérage optique 2 peuvent être formés par un matériau réfléchissant de type miroir, surface métallique ou métallisée, surface dépolie avec ou sans facettes, surface noire mate par exemple, ces éléments ayant l'avantage de fournir 20 un écho net et précis par rapport à une illumination infrarouge. On choisit de préférence un taux de réflexion qui évite des phénomènes de saturation à la réception. C'est le taux de réflexion (« albedo ») dans le domaine infra-rouge qui importe ici ; dans le domaine visible, les éléments de repérage peuvent être peu différenciés du 25 reste du volant 8, en d'autres termes, les éléments de repérage peuvent avantageusement être discrets pour l'oeil humain. À l'inverse de la solution miroir (fort taux de réflexion), ces éléments de repérage peuvent être formés par un piège optique infrarouge (c'est-à-dire ne fournissant aucun écho lumineux dans cette gamme de fréquences). La forme et les positions de ces éléments de repérage optique sera vue plus loin. Le capteur optique matriciel 12 (cf. figure 5) est typiquement une caméra CCD optionnellement placée derrière un filtre optique 16. Outre la faculté de capter une image en deux dimensions, le dispositif appelé « caméra 3D » comprend en outre une fonction de démodulation optique permettant de déterminer une troisième dimension, à savoir la profondeur de l'objet vis-à-vis de la caméra. 3048087 6 Comme illustré aux figures 5, 6A et 6B, la source de lumière infrarouge 11 émet une lumière notée TxIR. Selon une solution de référence, cette lumière est pulsée c'est-à-dire qu'un pulse est envoyé puis les échos sont analysés pour capter une image, en deux dimensions et en trois dimensions. On envoie un pulse par image à capter. 5 Plus précisément, les rayons lumineux infrarouges transmis rebondissent sur un l'objet observé WC. Une partie des rayons réfléchis, notés RxIR, se dirigent en direction du capteur optique matriciel 12, où ils sont comparés temporellement (pour la partie 3D) à la lumière incidente notée TxIR. L'amplitude de l'écho RxIR dépend notamment du taux de réflexion, qui doit être suffisant de manière à ce que les échos 10 reçus puissent être captés (mais sans générer toutefois de saturation). Le retard R constaté (cf. figure 6A) est directement proportionnel au temps de propagation du signal, aller et retour ; par conséquent, la distance entre la caméra et le lieu de la réflexion peut être déduite du retard constaté. En variante, la lumière émise peut être modulée, et dans ce cas le retard 15 constaté (pShift peut être déterminé comme un déphasage. Bien entendu, on constate dans le signal réfléchi une amplitude AmR différente de celle émise AmT, souvent un offset général et le déphasage de phase noté (pShift qui nous intéresse en particulier. Pour chaque point du capteur optique matriciel, on ouvre quatre fenêtres temporelles décalées les unes par rapport aux autres (cf Figures 6A et 6B). 20 Pour chaque point du capteur optique matriciel, on calcule des coefficients de corrélation appelés AO Al A2 A3, qui correspondent au signal d'écho reçu dans chacune des quatre fenêtres temporelles décalées. On peut aussi formuler cela dans le cas d'un signal modulé comme suit. - AO est le résultat d'une corrélation entre le signal reçu et un signal en phase avec 25 le signal transmis. - Al est le résultat d'une corrélation entre le signal reçu et un signal en retard de n/2 par rapport au signal transmis (retard par rapport à la pulsation modulante). - A2 est le résultat d'une corrélation entre le signal reçu et un signal en retard de t par rapport au signal transmis. 30 - A3 est le résultat d'une corrélation entre le signal reçu et un signal en retard de 3n/2 par rapport au signal transmis. Un exemple de calcul détaillé est fourni par le document US 2014 0 160 459 auquel le lecteur peut se référer. Ce qui nous intéresse en particulier ici est le décalage de phase qui est donnée par : 35 (pShift = Artan (A3 - Al / AO - A2), alors la distance se calcule comme suit : Dm = c x (pShift / 2 3048087 7 On peut exclure du traitement 3D des cas ou le quotient de l'arctangente donne 0/0 ou bien o./. ; ceci est fait en élaborant des masques de l'image 2D qui épargne les zones à forte réflexion et les zones à piège de lumière. Les calculs explicités ci-dessus sont réalisés par une unité de traitement 14, 5 comme illustré à la figure 4, les résultats étant mis à disposition d'autres calculateurs embarqués 7. Pour faciliter le traitement algorithmique, on prévoit sur le volant 8 des éléments de repérage particuliers. Par exemple, il peut être prévu, comme illustré aux figures 3 et 7, une ligne 10 ou bande étroite, en arc courbe coïncidant avec la moitié supérieure de la jante 82 du volant 8 lorsque celui-ci est en position de conduite en ligne droite. Plus généralement, on peut avoir une bande ou une ligne sensiblement en arc courbe, continue ou discontinue, coïncidant avec la partie de la jante la plus éloignée du conducteur. De plus, au sommet de cet arc, on prévoit un repère particulier 20, quasi 15 ponctuel, par exemple sous la forme d'un losange, que l'on appellera le « zéro » ou la « référence zéro » « zero-ref » ou référence origine. Cette position de référence sert d'origine pour les angles notés a dans le repère local du volant 8, indépendamment de la position en rotation suivant 9. En outre, on peut avoir deux autres repères spécifiques quasi ponctuels, un 20 repère circulaire repéré 22 placé à a = -90°, et un repère carré repéré 21 à a = 90°. Avec 3 repères optiques spécifiques quasi ponctuels, on garantit que la caméra pourra toujours en voir au moins un et ainsi pourra mesurer en permanence la position et la distance de un ou plusieurs de ces repères. On peut prévoir également un système de graduations 23. 25 Plus généralement, d'autres formes de repères ponctuels peuvent être envisagées. Selon un autre exemple illustré à la figure 8, on prévoit 6 repères optiques spécifiques quasi ponctuels, un losange 20 à a = 0°, un carré 25 àa = 60°, un triangle 26 à a = 120°, une croix 28 àa = 180°, un rond 27 àa = -120°, une étoile 24 àa = -60°. 30 On remarque que ces 6 repères optiques spécifiques sont 2 à 2 diamétralement opposés, ce qui permet de déterminer facilement le diamètre apparent de la jante du volant 8, même si une ou deux mains occultent un ou deux repères. Le procédé utilise deux méthodes différentes pour déterminer la position du volant 8. En premier lieu, les positions des éléments de repérage optique (notamment les 35 repères quasi ponctuels 20 - 28) sont identifiées, et des calculs géométriques (triangulation et autres) sont effectués à partir des images en 2D. 3048087 8 En second lieu, la caméra « ToF » détermine la distance qui sépare certains repères optiques spécifiques de la caméra. Un traitement spécifique par calcul permet d'en déduire la position en profondeur du volant 8. Les résultats des deux méthodes sont recoupés et corrélés pour en déduire 5 une position confirmée du réglage du volant 8 en hauteur et en profondeur, ainsi que la position angulaire 0 du volant 8. En principe on procède au réglage du volant 8 le véhicule étant à l'arrêt. Dans le contexte d'interprétation de certains gestes faits par le conducteur, on définit une zone d'observation ZC autour de la jante 82 du volant 8, illustrée aux figures 2 10 et 3. On note qu'il peut y avoir plusieurs zones d'observation ZC, non seulement au voisinage de la jante 82 du volant 8, mais aussi par rapport à des pads tactiles agencés entre le moyeu et la jante 82. Préférentiellement, la zone d'observation englobe les régions où sont 15 habituellement positionnées les mains du conducteur en situation de conduite, par exemple selon une position de prise en main dite « 9h15 » ou bien une position de prise en main dite « 10h10 » ; des positions à deux mains mais dissymétriques, et des positions à une seule main sont aussi couramment utilisées par les conducteurs. Il faut remarquer que la ou les zones d'observation ZC tournent avec le 20 mouvement de rotation du volant 8 repéré 0. La connaissance de la position du volant 8 en hauteur, en profondeur, et en rotation autour de son axe X, permet de redéfinir à chaque instant la position des zones d'observation ZC dans laquelle seront pris en compte les gestes effectués par les doigts F et les mains du conducteur. 25 On a illustré sur la figure 7, les images captées et traitées par la caméra. Dans un premier cas, en traits pleins, on observe une position médiane du volant 8 (en fait des repères 2, 20) en hauteur et en profondeur, avec l'angle volant 0 = zéro ; selon un autre cas représenté en traits pointillés (2', 20'), le volant 8 est plus près (le diamètre apparent est plus grand) et le conducteur tourne le volant 8 à droite ; selon encore un 30 autre cas représenté en trait mixte (2", 20"), le volant 8 est plus loin (le diamètre apparent est plus petit) et le conducteur tourne le volant 8 à gauche. Les doigts de la main du conducteur sont désignés par la référence F. On remarque que même avec la présence des doigts F d'une main sur le volant, cela n'empêche pas le procédé de détection de fonctionner dans la plupart des cas. En effet, 35 d'une part pendant une opération de réglage, le conducteur à seulement une main sur le volant et l'autre sur la poignée de déverrouillage 4, et d'autre part, la probabilité que plus d'un repère ponctuel particulier soit occulté par les doigts F est relativement faible ; à cet 3048087 9 effet on prévoit que si un ou plusieurs des marqueurs ou repères particuliers sont occulté(s), on conserve la profondeur P et la hauteur H courante pour la position du volant 8, et on se contente de continuer à déterminer l'angle 0 et de continuer à repositionner en rotation autour de l'axe du volant 8 la zone d'observation ZC du volant 8. 5 Comme application, on peut prévoir comme illustré à la figure 9 d'afficher sur le combiné d'instruments 9 des pictogrammes 88, 93, 94 illustratifs de l'interface homme-machine ; dans certaines conditions, un geste particulier fait par la main droite du conducteur sur la zone repérée 84 conduit à prendre un appel téléphonique, et un geste particulier fait par la main gauche du conducteur sur la zone repérée 83 conduit à 10 raccrocher. Il est à noter par ailleurs que le fonctionnement du système selon l'invention est effectif de jour comme de nuit, la caméra étant choisie pour être sensible à la lumière infrarouge, sans lien direct avec le niveau de luminosité ambiant. On remarque que, avantageusement, il n'y a aucun composant électronique 15 actif dans le volant 8 pour la fonction détection optique ; les éléments de repérage sont complètement passifs ; le système est par conséquent particulièrement simple et ne requiert pas de transmission de signaux électriques entre le volant 8 qui tourne et le reste du véhicule. On peut travailler avec des composants infrarouge centrés sur 850 nm si la 20 source n'est pas visible du point de vue normal du conducteur, ou bien avec des composants infrarouge centrés sur 940 nm qui présente l'avantage d'être totalement imperceptible à l'oeil humain ; la différence de puissance émise par les deux différents types de diode n'a pas d'impact vu la faible distance dans cette application. REVENDICATIONS1. Système de détection de la position d'un volant (8) de conduite d'un véhicule automobile, le volant (8) étant doté d'un système de réglage de position, au moins en profondeur, le système comprenant : - un dispositif de détection optique matriciel (1) à détection tridimensionnelle, connu en langue anglaise sous le terme de « Time-of-Flight Camera », avec une source de lumière infrarouge (11) et un capteur optique matriciel (12), - des éléments de repérage optique (2) agencés sur la jante (82) du volant (8), du côté opposé au conducteur, - le dispositif de détection optique matriciel (1) étant agencé à proximité ou dans un combiné d'instruments (9) du véhicule, et étant configuré pour détecter les éléments de repérage optique (2) sur le volant (8), et en déduire la position de réglage du volant (8) au moins en profondeur. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel les éléments de repérage optique (2) comprennent au moins 3 repères optiques quasi-ponctuel (20 - 28), de 15 préférence chacun avec une forme différente. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel le volant (8) a une position neutre correspondant à une conduite en ligne droite, un des repères optiques quasi-ponctuel (20) étant localisé dans la position la plus haute lorsque le volant est en position neutre. 20 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les éléments de repérage optique (2) sont disposés sensiblement sur une courbe en arc suivant la jante (82) du volant (8). 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les éléments de repérage optique (2) comprennent des éléments miroirs et/ou des pièges de 25 lumière. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel il est prévu une analyse corrélée des échos (RxIR) de lumière par rapport à la lumière infrarouge (TxIR) émise de façon pulsée, la différence de phase constatée permettant de calculer la distance des éléments de repérage optique par rapport au capteur optique 30 matriciel. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la position de réglage en hauteur du volant (8) et/ou la position de réglage en profondeur 3048087 11 peuvent être déterminées par traitement géométrique des images captées et/ou par résultat des mesures de distance obtenues par procédé « temps de vol/propagation ». 8. Procédé pour détecter de la position d'un volant (8) de conduite d'un véhicule automobile, notamment la position en hauteur la position en profondeur, dans un système 5 de détection comprenant un dispositif de détection optique matriciel (1), connu en langue anglaise sous le terme de « Time-of-Flight Camera », avec une source de lumière infrarouge (11) et un capteur optique matriciel (12), et des éléments de repérage optique (2) agencés sur la jante (82) du volant (8), du côté opposé au conducteur, le procédé comprenant les étapes suivantes : 10 - faire émettre par une source de la lumière infrarouge modulée (TxIR), - détecter, par le capteur optique matriciel, les échos lumineux (RxIR) réfléchis par les éléments de repérage optique (2), - procéder à des calculs permettant de déterminer la différence de phase sur chaque point de la matrice et en déduire la distance entre le capteur optique matriciel (12) et les différents éléments de repérage optique (2) sur la jante (82) du volant (8), - en déduire la position en hauteur et la position en profondeur du volant (8). 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la position angulaire (0) du volant (8) est en outre déterminée par la détection d'un ou plusieurs des repères optiques 20 quasi-ponctuels. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on recalcule en permanence la position de la ou des zone(s) d'observation (ZC) pour les mouvements de doigts (F).