Brevet FR3050354A1 — publié le 20171020

Caméra sous-marine autonome DOMAINE L'invention porte sur un système mobile autonome sous-marin, de type drone, pour suivre un objet sous-marin, tel un plongeur. CONTEXTE Il existe de nombreux systèmes de suivi ou de surveillance d'objet sous-marin. Ces systèmes sont en général des véhicules contrôlés à distance (Remote Operated Vehicule, ROV) qui se déplacent sous l'eau et sont pilotés depuis un bateau ou un navire situé en surface et nécessitant la présence d'une personne pour gérer les commandes du véhicule. Pour localiser l'objet à suivre ou surveiller, celui-ci est équipé d'un émetteur signalant sa position. Le ROV étant habituellement équipé d'un GPS cela permet de connaître la position GPS de l'objet. L'inconvénient d'un tel système est que le signal GPS ne peut être obtenu lorsque le ROV est submergé. Il doit donc remonter à la surface pour obtenir une localisation précise. Une fois l'objet localisé, et le ROV déplacé proximité de celui-ci, la surveillance et le suivi sont effectués grâce une caméra dont les images sont transmises au bateau ou navire. La personne pilotant le ROV peut ainsi contrôler son déplacement en fonction de ce qui est recherché, exemple : la surveillance de travaux sous-marins ou d'espèces marines. 3050354 2 L'inconvénient de ces systèmes de suivi ou de surveillance d'objet sous-marin est la nécessité d'avoir une personne pour piloter à distance le système de suivi. 5 RESUME DE L'INVENTION L'objectif de la présente invention est de s'affranchir de la présence d'une personne pour piloter l'appareil suivant l'objet et de résoudre les problèmes de localisation, connus de l'état de la technique. 10 L'invention vise également à améliorer le suivi visuel de l'objet sous-marin. À cet effet, l'invention a pour objet un système mobile sous-marin autonome de suivi d'un objet sous-marin tel un plongeur, comprenant : 15 - des moyens de détermination de la position relative de l'objet sous-marin par rapport au système ; - des moyens de déplacement connectés aux moyens de détermination de la position relative et adaptés pour positionner le système mobile en fonction de la 20 position relative. Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens de détermination de la position comprennent : - un récepteur d'un signal de localisation émis par 25 un émetteur fixé sur ledit objet sous-marin ; et/ou - une caméra, le système ou ladite caméra comprenant des moyens de traitement d'images adaptés pour détecter des formes et des mouvements telle que la position de l'objet sous-marin dans l'image. 30 Avantageusement, le système comprend des moyens de traitement d'image adaptés pour cadrer l'objet sous-marin 3050354 3 suivi selon différents modes prédéfinis. La caméra se comporte alors comme un cadreur autonome et, il est ainsi possible de changer de plan ou de point de vue sur l'objet sous-marin suivi. 5 Avantageusement, la détection de forme peut être réalisée sur une image en niveau de gris ou en noir et blanc, afin d'augmenter la rapidité des calculs et le traitement des données en temps réel. Le suivi et le 10 cadrage de l'objet en mouvement en sont alors optimisés. Avantageusement, les images de la caméra peuvent être enregistrées selon une commande définie provenant du signal de localisation, et permettant un visionnage 15 ultérieur des séquences vidéo. Le suivi de l'objet sous-marin peut aussi être choisi en fonction de plusieurs configurations de suivi, chaque configuration de suivi, également appelée scénario de 20 suivi, comprenant : - un mode de cadrage, - un message d'activation de la commande d'enregistrement des images. Ainsi la caméra se comporte comme un cadreur et un 25 réalisateur autonome. Avantageusement, l'émetteur et le récepteur communiquent par basses fréquences acoustiques (Ultra Short Base Line, USBL). 30 L'USBL est une méthode de localisation acoustique sous-marine. Une impulsion acoustique est émise par un appareil puis réceptionnée par un second appareil qui peut répondre par une autre impulsion acoustique. La durée 3050354 4 entre l'émission de la première impulsion et la réception de celle-ci ou de l'impulsion réponse est mesurée et convertie en distance séparant l'émetteur et le récepteur permettant ainsi d'obtenir une position relative de l'un 5 par rapport à l'autre. Selon un autre mode de réalisation du système, le récepteur comprend au moins trois capteurs adaptés pour recevoir le signal émetteur selon une direction 10 quelconque. La détection du signal de localisation en est ainsi améliorée. Avantageusement, le système comprend dans cette configuration des moyens de traitement du signal 15 permettant : - de s'affranchir de données non valides issues de réflexions parasites du signal de localisation notamment à la surface de l'eau risquant d'indiquer une mauvaise direction ; 20 - d'affiner la position de l'objet sous-marin suivi lors de la réception du signal par au moins deux capteurs. Quand un signal de localisation est émis, il est possible que deux capteurs le reçoivent en même temps. En fonction de la vitesse de propagation des ondes dans le milieu, il 25 y a un petit décalage entre la réception sur le capteur le plus proche et la réception sur le second. Ce décalage permet ainsi de définir une localisation plus précise de l'émetteur et donc de l'objet suivi. 30 L'invention comprend aussi un dispositif émetteur adapté pour fonctionner avec l'une des configurations du système décrites ci-dessus et comprenant : 3050354 5 des moyens de fixation à l'objet sous-marin suivi ; un émetteur adapté pour envoyer un signal de localisation de la position de l'objet sous-marin. 5 Avantageusement, ce dispositif comprend en outre : une interface de commande ; - l'émetteur étant adapté pour transmettre au système sous-marin une ou plusieurs commandes 10 définies dans l'interface de commande via le signal de localisation. L'interface de commande comprend notamment une commande de configuration de suivi de l'objet sous-marin. 15 Avantageusement, l'interface de commande comprend un cadran à plusieurs positions, adapté pour réaliser la commande de configuration de suivi de l'objet sous-marin. 20 Dans le cas du plongeur, ce dispositif lui permet, en plus de sa localisation, de changer le cadrage de l'image pour changer l'angle de vue ou de demander l'enregistrement d'une séquence vidéo. Le plongeur aura ainsi un support vidéo pour montrer un travail de 25 réparation effectué sur un équipement sous-marin ou simplement pour avoir un souvenir vidéo de sa plongée dans le cadre de ses loisirs. Il gère ainsi à distance et d'une simple commande : le mode de suivi du drone et la réalisation d'une vidéo. 30 DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférés 3050354 6 donnés à titre d'exemples illustratifs, non limitatifs, en référence aux dessins parmi lesquels : La figure 1 représente un premier exemple de réalisation d'un système mobile sous-marin autonome 5 accompagnant un plongeur sous marin ; et - La figure 2 représente un émetteur selon un mode de réalisation de l'invention ; DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION 10 En référence à la Figure 1, et selon un premier mode de réalisation général du système mobile sous-marin 1 autonome de suivi d'un objet sous-marin 3, celui-ci est de type drone sous-marin, comprenant des moyens de déplacement 5 ainsi qu'un récepteur 7 d'un signal émis par 15 un émetteur 9 fixé sur ledit objet sous-marin 3. Selon une première option, l'émetteur et le récepteur peuvent communiquer par basses fréquences acoustiques (Ultra Short Base Line, USBL). Cette méthode de 20 localisation acoustique sous-marine permet de connaître la position relative de l'émetteur par rapport au récepteur grâce à un calcul de distance basé sur la vitesse de propagation des ondes dans le milieu considéré. Elle est notamment utilisée pour les travaux sous 25 marins, l'étude des milieux scientifiques ou encore les plates formes pétrolières. Le milieu sous-marin nécessite des basses fréquences pour ne pas perturber la faune sous marine. Ainsi les fréquences utilisées seront choisies pour ne pas perturber ce milieu. L'objectif est de ne pas 30 dépasser 10 kHz. 3050354 7 Concernant la portée, elle peut être limitée à 25 mètres, pour ne pas entrer en conflit avec d'autres dispositifs humains. 5 Selon une seconde option, le récepteur peut comprendre quatre capteurs répartis selon les quatre faces principales du système : haut, bas, gauche, droite, permettant la réception du signal de localisation selon ces quatre directions. Il peut aussi comprendre seulement 10 3 capteurs qui sont alors positionnés de façon à recevoir le signal de localisation quelque soit la position relative du système mobile sous-marin et de l'objet sous-marin. 15 La réception du signal de localisation par au moins deux capteurs peut permettre d'affiner la position de l'émetteur, si le système est équipé de moyens de traitement du signal. En effet, selon le décalage entre la réception du signal par le capteur le plus proche et la 20 réception par le second, il est possible d'améliorer la localisation de l'émetteur par rapport au récepteur en connaissant la vitesse de propagation des ondes dans le milieu considéré. 25 De plus, un phénomène de réflexion des ondes notamment à la surface de l'eau peut intervenir et entraîner une mauvaise interprétation des données et donc une direction du signal erronée. Ce problème peut par exemple être contourné par un algorithme se synchronisant 30 avec le signal de localisation évitant ainsi la réception de données non valides. 3050354 8 Un autre mode de réalisation de l'invention plus perfectionné, comprend une caméra 11 et des traitements d'images 13 adaptés pour détecter des formes et des mouvements, telle que la position de l'objet sous-marin 5 dans l'image. Ce mode de réalisation peut se combiner également avec le premier mode de réalisation de façon à ce que la localisation par l'image et la localisation par le signal de localisation se complètent. 10 Ainsi, les moyens de détermination de la position relative combinent les données des capteurs USBL et vidéo du drone. Dans un premier temps, les données USBL fournissent 15 un cadrage approximatif de la cible (dans le cas présent, le plongeur porteur du bracelet émetteur du signal sonar). Ce premier niveau de détection permet d'orienter le drone et de définir une zone d'intérêt dans le champ de 20 vision de la caméra. Le système va ensuite affiner l'estimation de l'USBL via la vidéo. Pour cela des algorithmes tels que BRISK(1) et FAST(2) sont utilisés pour générer un ensemble de 25 points d'intérêt (en anglais « features ») dans la zone ciblée (en anglais « region of interest »). Un algorithme permet de discriminer les points d'intérêt appartenant à la cible. 30 Cet algorithme combine du flux optique (en anglais « optical flow ») (pour identifier des objets rigides 3050354 9 ainsi que l'arrière-plan), de la classification par couleur/texture, des caractéristiques pseudo-Haar et la position des points d'intérêt dans la zone ciblée. En recoupant ces informations à l'estimation USBL pendant 5 plusieurs secondes par un filtre de Kalman, un ensemble de points d'intérêt est désigné comme appartenant à la cible. Ces points sont alors verrouillés par l'algorithme CMT(3) qui prend le relais jusqu'à la fin du suivi. En cas d'absence d'estimation par la partie USBL, la cible est identifiée grâce à un ensemble de caractéristiques pseudo-Haar (4) préalablement établies (reconnaissance d'un plongeur) et inscrites en mémoire. Une fois calculée par le système de positionnement, la position du drone par rapport au bracelet est envoyée aux moyens de déplacement du drone. 20 Plusieurs améliorations de ce mode sont possibles et compatibles avec les précédentes options mentionnées. En effet, les moyens de traitements d'image peuvent être adaptés pour cadrer l'objet sous-marin suivi selon 25 différents modes prédéfinis. Ces modes comprennent les informations de cadrage suivantes : - le format de l'image souhaité, exemples : format 30 paysage (image horizontale) ou portrait (image verticale) ; 10 15 3050354 10 - l'angle de vue souhaité, exemples : même niveau que l'objet, vue du dessus (plongée), vue de dessous (contre-plongée) ; - la taille de l'objet souhaitée dans l'image, 5 aussi appelée taille du plan (exemples : gros plan, plan rapproché, vue d'ensemble, etc.). Ainsi selon le mode sélectionné et les calculs effectués par les moyens de traitement d'image, une commande d'ajustement de la position du système sera 10 envoyée aux moyens de déplacement pour recadrer l'objet suivi dans le champ de la caméra. Pour améliorer le traitement en temps réel des images, la détection des formes pourra être réalisée sur 15 une image en niveau de gris ou en noir et blanc. Ainsi, le nombre de calculs pour cette fonction est réduit, améliorant la rapidité des calculs globaux et donc le suivi et le cadrage de l'objet en mouvement. 20 Les images de la caméra peuvent également être enregistrées selon une commande définie provenant du signal de localisation, et en option sur le dispositif émetteur 9. 25 Selon une autre option du système, le suivi de l'objet sous-marin peut être choisi en fonction de plusieurs configurations de suivi. Ces configurations de suivi comprennent les 30 informations de cadrage de l'objet, via le mode de cadrage souhaité, ainsi qu'un message d'activation de l'enregistrement des images de la caméra. 3050354 11 Selon un premier mode de réalisation du dispositif émetteur 9, celui-ci comprend, Figure 2 : - des moyens de fixation 21 ; et 5 - un émetteur 23 adapté pour envoyer un signal de localisation de la position de l'objet sous-marin ; et est adapté pour fonctionner avec le système décrit selon l'un des modes de réalisation précédents. 10 Par exemple, l'émetteur peut communiquer avec le récepteur par USBL. Quant aux moyens de fixation ceux-ci pourraient prendre la forme d'un bracelet dans le cadre du suivi d'un plongeur. 15 Cet émetteur peut également être intégré dans d'autres dispositifs utilisés par les plongeurs tels que, par exemple, les ordinateurs de plongée. 20 Selon un second mode de réalisation du dispositif émetteur, celui-ci comprend également une interface de commande 25, l'émetteur étant adapté pour transmettre au système sous-marin précédemment décrit une ou plusieurs commandes définies dans l'interface de commande 25 via le 25 signal de localisation. La commande de configuration de suivi de l'objet sous-marin peut faire partie des commandes de cette interface. Ainsi, dans le cas du plongeur, celui-ci peut 30 changer à tout moment la configuration de suivi avec les paramètres qu'il aura préalablement définis. 3050354 12 Par exemple, le plongeur pourra avoir une première configuration de suivi simple (sans les informations de la caméra ni les traitements d'image) puis une configuration de démarrage où le cadrage est une vue d'ensemble et les 5 images sont enregistrées, etc., pour créer son propre reportage vidéo de sa plongée. Dans un troisième mode de réalisation, l'interface de commande 25 du dispositif pourra comprendre un cadran à 10 plusieurs positions, adapté pour envoyer une commande différente par position. Dans le cas du plongeur, le dispositif pourra avoir la forme d'un bracelet montre, dont le cadran divisé en plusieurs positions permettra l'activation d'une 15 configuration de suivi par position. 20 25 30 3050354 13 REFERENCES (1) Stefan Leutenegger, Margarita Chli and Roland Siegwart: BRISK: Binary Robust Invariant Scalable 5 Keypoints. ICCV 2011. (2) E. Rosten. Machine Learning for High-speed Corner Detection, 2006. 10 (3) Nebehay, Georg and Pflugfelder, Roman. Consensus- based Matching and Tracking of Keypoints for Object Tracking, 2015. (4) Paul Viola and Michael J. Jones. Rapid Object 15 Detection using a Boosted Cascade of Simple Features. IEEE CVPR, 2001. REVENDICATIONS1. Système mobile sous-marin autonome de suivi d'un objet sous-marin tel un plongeur, comprenant : - des moyens de détermination de la position relative de l'objet sous-marin par rapport au système ; - des moyens de déplacement connectés aux moyens de détermination de la position relative et adaptés pour positionner le système mobile en fonction de la position relative. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel les moyens de détermination de la position comprennent un 15 récepteur d'un signal de localisation émis par un émetteur fixé sur ledit objet sous-marin. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens de détermination de la position comprennent une 20 caméra associée à des moyens de traitement d'images adaptés pour détecter des formes et des mouvements telle que la position de l'objet sous-marin dans l'image. 4. Système selon la revendication 3, dans lequel les 25 moyens de traitement d'image sont adaptés pour cadrer l'objet sous-marin suivi selon différents modes prédéfinis. 5. Système selon l'une des revendications 3 ou 4, dans 30 lequel la détection de forme est réalisée sur une image en niveau de gris ou en noir et blanc, pour augmenter la rapidité des calculs. 3050354 6. Système selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel les images de la caméra sont enregistrées selon une commande définie provenant du signal de localisation. 5 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le suivi de l'objet sous-marin est choisi en fonction de plusieurs configurations de suivi. 10 8. Système selon la revendication 7 dans lequel chaque configuration de suivi comprend : - un mode de cadrage ; et - un message d'activation de la commande d'enregistrement des images de la caméra. 15 9. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel l'émetteur et le récepteur communiquent par basses fréquences acoustiques (Ultra Short Base Line, USBL). 10. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, dans lequel le récepteur comprend au moins 3 capteurs adaptés pour recevoir le signal émetteur selon une direction quelconque. 11. Système selon la revendication 10, dans lequel le récepteur comprend : - des moyens de traitement du signal de localisation, adaptés pour : o s'affranchir de données non valides issues de réflexions parasites du signal de localisation notamment à la surface de l'eau risquant d'indiquer une mauvaise direction ; 3050354 16 o affiner la position de l'objet sous-marin suivi lors de la réception du signal par au moins deux capteurs. 5 12. Dispositif émetteur adapté pour fonctionner avec le système selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, comprenant : - des moyens de fixation à l'objet sous-marin suivi ; - un émetteur adapté pour envoyer un signal de 10 localisation de la position de l'objet sous-marin. 13. Dispositif selon la revendication 12 comprenant en outre : - une interface de commande ; 15 - l'émetteur étant adapté pour transmettre au système sous-marin une ou plusieurs commandes définies dans l'interface de commande via le signal de localisation. 20 14. Dispositif selon la revendication 13 dans lequel l'interface de commande comprend une commande de configuration de suivi de l'objet sous-marin. 15. Dispositif selon la revendication 14 dans lequel 25 l'interface de commande comprend un cadran à plusieurs positions, adapté pour envoyer une commande différente par position.