Brevet FR3067126A1 — publié le 20181207

SYSTEME DE DETECTION DE FRANCHISSEMENT DE LIGNE DE BUT Domaine technique La présente invention se rapporte au domaine des technologies destinées à la détection du franchissement d'une ligne de but. Ces technologies sont couramment désignées par le terme anglo-saxon « goal line technology ». Elles sont destinées à assister l'arbitre pour déterminer si, de façon certaine, un ballon a entièrement franchi la ligne de but. Ces technologies sont destinées à être utilisées dans les sports de balle, tels que le football ou le handball. Etat de la technique Deux technologies existent actuellement sur le marché. La première technologie, couramment appelée stéréovision ou mesure stéréoscopique, consiste à réaliser la détection par une pluralité de caméras vidéo à grande vitesse capturant des images des cages de but de chaque côté du terrain. Les caméras sont connectées à un ordinateur central qui détermine en continu la position du ballon. Si le ballon franchit entièrement la ligne de but, l'ordinateur central transmet un signal à un dispositif porté par l'arbitre, se présentant par exemple sous la forme d'une montre, lequel dispositif émet alors un signal sonore. L'arbitre peut ensuite immédiatement valider le but. La deuxième technologie connue consiste à créer un champ magnétique particulier au niveau de la cage de but, de part et d'autre, ou de chaque côté de la ligne de but en 3067126 2 enterrant des fils électriques parcourus par du courant dans cette zone du terrain de jeu et à équiper le ballon d'un capteur destiné à mesurer ce champ magnétique. Le capteur du ballon mesure le champ magnétique notamment 5 lorsque le ballon pénètre dans la zone du but et envoie des données relatives à cette mesure à un ordinateur central. Ce dernier détermine ensuite à partir de ces données si le ballon a franchi ou non la ligne de but. Dans l'affirmative, l'ordinateur central transmet un 10 signal à un dispositif porté par l'arbitre qui émet alors un signal sonore. Résumé de l'invention L'invention vise à proposer une technologie alternative peu onéreuse qui soit abordable pour le monde amateur. 15 L'invention a également pour objet de proposer un système ne nécessitant aucune modification de la cage de but, et plus particulièrement aucun ajout de matériel sur la cage de but. Un autre objet de l'invention est de proposer un système 20 ne requérant aucune installation de matériel dans l'aire de jeu ou aucune modification de celle-ci. Un autre objet de l'invention est de proposer un système qui soit insensible aux conditions climatiques, aux conditions d'éclairage du terrain de jeu ou à la couleur 25 du ballon. Un autre objet de l'invention est de proposer un système qui soit capable de détecter un franchissement entier ou partiel de la ligne de but et qui soit donc applicable à des sports de balle tels que le football ou le handball 3067126 3 (dans lesquels le but n'est validé que si la balle a entièrement franchi la ligne de but) ou d'autres sports n'exigeant qu'un franchissement partiel de la ligne de but. 5 Selon l'invention, il est proposé une technologie employant au moins un lidar disposé derrière la ligne de but et balayant selon un mouvement de rotation un plan vertical derrière la ligne de but. Les signaux délivrés par le lidar sont ensuite traités pour détecter si un 10 ballon a traversé le plan vertical balayé par le lidar et déterminer la position du ballon par rapport à la ligne de but. Plus particulièrement, l'invention concerne un système de détection du franchissement d'une ligne de but d'une 15 cage de but par un ballon, ladite cage de but s'étendant verticalement au-dessus de la ligne de but, un plan vertical, dit plan de ligne de but, étant défini à partir d'un bord arrière de la ligne de but, lequel système est caractérisé en ce qu'il comprend : 20 - au moins un lidar agencé pour balayer, au moyen d'un faisceau laser et selon un mouvement de rotation, un plan vertical, dit plan de détection, parallèle audit plan de ligne de but et disposé derrière la cage de but, ledit plan de détection étant distant du plan de ligne 25 de but d'une distance inférieure au diamètre du ballon, ledit lidar générant un signal de mesure, et - une unité de traitement pour traiter ledit signal de mesure de sorte à détecter la présence d'un ballon à l'intérieur d'une zone, dite de détection, du plan de détection délimitée par la projection orthogonale de la 3067126 4 cage de but sur le plan de détection et déterminer la position du ballon par rapport à la ligne de but. Selon l'invention, le lidar émet un faisceau laser balayant le plan de détection. Lorsque le faisceau laser 5 rencontre un obstacle, il est rétrodiffusé en un ou plusieurs faisceaux retour par ledit obstacle. Au moins une partie des signaux rétrodiffusés sont renvoyés vers le lidar puis traités par l'unité de traitement de sorte à détecter la présence et la position d'un obstacle dans 10 la zone de détection. La détection d'un ballon dans la zone de détection revient à rechercher, dans les résultats de mesure, une portion de cercle ou un arc dans la zone de détection selon la fréquence de balayage du lidar et de la vitesse du ballon. Le diamètre du cercle 15 se rapportant à cette portion de cercle ou la forme de l'arc permet de déterminer la position du ballon par rapport à la ligne de but. Selon un mode de réalisation particulier, la distance entre le plan de ligne de but et le plan de détection 20 est sensiblement égale au rayon du ballon. Selon un mode de réalisation particulier, le système comporte un unique lidar qui est centré par rapport à la cage de but. 25 Dans ce mode de réalisation, la fréquence de balayage du lidar est supérieure ou égale à 100 Hertz. Avantageusement, elle est supérieure à 200 Hz ou plus. Une telle fréquence peut être simulée en augmentant le nombre de lidars décalés angulairement. Deux lidars 100 3067126 5 Hz dont les faisceaux laser sont déphasés de n sont équivalents à un lidar 200 Hz. Selon un autre mode de réalisation, le système comporte n lidars balayant ledit plan de détection et disposés 5 dans le sol, avec 1-12. La multiplication des lidars permet non seulement d'augmenter la fréquence de balayage du plan de détection mais également d'augmenter la robustesse du système face aux occlusions (présence de joueurs dans la zone de 10 détection) en augmentant le nombre de points de vue de la scène. Dans ce mode de réalisation, les n lidars sont avantageusement répartis à intervalles réguliers le long d'une ligne parallèle à la ligne de but. 15 Par ailleurs, les n lidars sont agencés pour que leurs faisceaux laser soient déphasés (ou décalés 2n angulairement) de --. n Dans ce mode de réalisation, la fréquence de balayage de chacun des n lidars est avantageusement supérieure ou 20 égale à 100/n Hertz. Selon un mode de réalisation particulier, le lidar ou les lidars est ou sont disposé(s) dans une goulotte enterrée dans le sol, à l'intersection entre le plan de détection et le sol. 25 Avantageusement, le système comprend en outre un couvercle, transparent au laser, sensiblement plan pour refermer, dans sa partie supérieure, la goulotte. Le couvercle est avantageusement recouvert d'un polymère 3067126 6 souple pour éviter que les joueurs ne se blessent au contact de celui-ci. Selon un mode de réalisation particulier, le système comporte au moins des premier et deuxième lidars aptes à 5 balayer respectivement des premier et deuxième plans de détection, chacun desdits premier et deuxième plans de détection étant distant du plan de ligne de but d'une distance propre (dl,d2) inférieure au diamètre du ballon. Dans ce mode de réalisation, les premier et deuxième 10 lidars sont centrés par rapport à la cage de but. Par ailleurs, lesdits premier et deuxième lidars sont avantageusement agencés pour que leurs faisceaux laser soient synchronisés ou en phase, c'est-à-dire ne soient pas décalés angulairement. 15 La fréquence de balayage des premier et deuxième lidars est supérieure ou égale à 100 Hertz. Elle est avantageusement supérieure à 200 Hz ou plus. Selon un mode de réalisation, le système comprend en outre, pour chaque plan de détection, des éléments 20 réfléchissants sécants avec le plan de détection au niveau du bord supérieur et des bords latéraux de la zone de détection. Ces éléments réfléchissants permettent de délimiter la zone de détection et cette zone de détection est alors visible sur les signaux de mesure du lidar. 25 Les éléments réfléchissants sont disposés sur le filet monté à l'arrière de la cage de but. Selon un mode de réalisation avantageux, le système est complété par une caméra pour aider l'unité de traitement à détecter le ballon dans le ou les plans de détection. 30 Dans ce mode de réalisation, le système comprend au moins 3067126 7 une caméra disposée à l'arrière de la cage de but et connectée à l'unité de traitement, ladite au moins une caméra étant agencée pour capturer des images de la cage de but et de la scène en amont de la cage de but et 5 l'unité de traitement est agencée pour traiter le ou les signaux de mesure provenant du ou des lidar(s) et les images provenant de ladite caméra pour détecter la présence d'un ballon à l'intérieur de ladite zone de détection. 10 Ces images fournissent des informations additionnelles sur la scène de la cage de but pour discriminer le ballon du reste de la scène. Selon un mode de réalisation particulier, la caméra est une caméra vidéo à grande vitesse dont la fréquence de 15 capture est supérieure ou égale à 120 Hz Selon un autre mode de réalisation, la caméra est une caméra 3D dont la fréquence de capture est supérieure à 30 Hz D'autres caractéristiques et avantages pourront encore 20 apparaître à l'homme du métier à la lecture des modes de réalisation ci-dessous, illustrés par les figures annexées, donnés à titre illustratif. Brève description des figures - La figure 1 est une vue schématique en perspective 25 du système de l'invention selon un premier mode de réalisation comprenant un seul lidar ; - La figure 2 représente une section schématique du système selon le plan de coupe II-II de la figure 1 ; 3067126 8 - La figure 3 est une vue schématique de dessus illustrant le franchissement complet de la ligne de but par un ballon B ; - La figure 4 est un schéma illustrant les résultats 5 du lidar du système dans le cas de la figure 3 ; - La figure 5 est une vue schématique de dessus illustrant le franchissement partiel de la ligne de but par un ballon B ; - La figure 6 est un schéma illustrant les résultats 10 du lidar du système dans le cas de la figure 5 ; - La figure 7 est une vue schématique en perspective du système de l'invention selon un deuxième mode de réalisation comprenant deux lidars alignés parallèlement à la ligne de but ; 15 - La figure 8 représente une section schématique du système selon le plan de coupe VIII-VIII de la figure 7 ; - La figure 9 est une vue schématique en perspective du système de l'invention selon un troisième mode de 20 réalisation comprenant deux lidars alignés selon une droite perpendiculaire à la ligne de but ; - La figure 10 représente une section schématique du système selon le plan de coupe X-X de la figure 9 ; - La figure 11 est une vue schématique en perspective 25 du système de l'invention selon un quatrième mode de réalisation comprenant un lidar et une caméra; et - La figure 12 représente une section schématique du système selon le plan de coupe XII-XII de la figure 11. 3067126 9 Description détaillée de l'invention L'invention sera plus particulièrement décrite dans le cadre du football sans qu'on puisse y voir une quelconque limitation de la portée du brevet à ce sport. 5 Selon l'invention, il est proposé de détecter le franchissement de la ligne de but au moyen d'un ou plusieurs lidars associés, dans un mode de réalisation avantageux, à une caméra vidéo ou une caméra 3D. Dans la présente invention, un lidar désigne un 10 dispositif opto-électronique de mesure de distance comprenant un émetteur laser et un récepteur apte à recevoir les signaux rétrodiffusés par un obstacle présent dans le champ de vision du lidar. Plus particulièrement, on utilise au moins un lidar à balayage 15 agencé pour balayer, par un mouvement de rotation, un plan vertical, appelé plan de détection, derrière la cage de but. Les figures 1 et 2 représentent respectivement une vue d'ensemble en perspective et une vue en coupe d'un 20 système selon un premier mode de réalisation de l'invention, ledit système étant monté sur un terrain de football derrière une cage de but 1 équipée d'un filet 2. La cage de but 1 s'étend verticalement au-dessus de la ligne de but 3. 25 Dans ce mode de réalisation, le système comprend un lidar 4 enterré dans le sol et apte à balayer, au moyen d'un faisceau laser L et selon un mouvement de rotation, un plan vertical appelé plan de détection Pl derrière la 3067126 10 cage de but 1. Le lidar 4 est avantageusement disposé dans une goulotte 6 enterrée dans le sol et s'étendant parallèlement à la ligne de but 3 et il est centré par rapport à la cage de but. 5 La goulotte 6 est équipée d'un couvercle étanche transparent aux rayons laser sensiblement plan pour refermer la goulotte dans sa partie supérieure. Le couvercle est avantageusement recouvert d'un polymère souple pour éviter que les joueurs ne se blessent au 10 contact de celui-ci. Si on désigne par P le plan s'étendant verticalement à partir du bord arrière de la ligne de but 3, le plan de détection Pl est distant du plan P d'une distance d prédéterminée non nulle et inférieure au diamètre D du 15 ballon. Le plan P est appelé plan de ligne de but et le bord arrière de la ligne de but désigne le bord externe de la ligne de but en contact avec l'extérieur du terrain. Le plan P est aussi le plan vertical ayant pour génératrice la droite correspondant au bord arrière de 20 la ligne de but. Dans ce mode de réalisation, la distance d entre les plans P et Pl est égale à la moitié du diamètre D du ballon (soit d=D/2). Le lidar 4 est destiné à balayer le plan Pl de manière à 25 détecter la présence et la position de tout obstacle à l'intérieur du plan Pl. Le lidar 4 émet des faisceaux laser L. Lorsqu'un faisceau laser rencontre un obstacle dans le plan Pl, il est rétrodiffusé en un ou plusieurs faisceaux retour par ledit obstacle. Au moins une partie 3067126 11 des signaux rétrodiffusés sont renvoyés vers le lidar. Le lidar 4 génère alors un signal de mesure qui est traité par une unité de traitement 5 pour détecter la présence et la position d'un ballon dans le plan Pl, et 5 plus particulièrement dans une zone Dl du plan Pl qui est délimitée par la projection orthogonale de la cage de but sur le plan Pl. La détection d'un ballon dans la zone Dl revient à rechercher dans cette zone une portion de cercle ou, de manière plus générale, un arc. Cet arc 10 est formé par les points d'impact du faisceau laser avec le ballon. La forme de l'arc dépend essentiellement de la fréquence de balayage du lidar et de la vitesse de déplacement du ballon. Lorsque le ballon se déplace selon une direction sensiblement transverse au plan de 15 détection Pl, le faisceau laser L entre en contact avec le ballon en une pluralité de points appartenant à des sections transversales distinctes du ballon. L'arc formé par ces points de contact n'est donc pas exactement une portion de cercle. 20 La présence d'un tel arc dans les résultats de mesure du lidar permet, sous réserve de validation par des moyens complémentaires, d'en déduire la présence d'un ballon dans la zone de détection et les paramètres de cet arc vont permettre de déterminer la position du ballon par 25 rapport à la ligne de but. Ceci sera décrit plus en détail dans la suite de la présente description. Selon un mode de réalisation de l'invention, la détection d'un franchissement complet de la ligne de but revient à détecter une portion de cercle dont le diamètre D' est 30 compris dans un intervalle [A,B]. Les bornes A et B 3067126 12 désignent respectivement le diamètre minimal et le diamètre maximal du cercle. La valeur de B est une valeur proche de D (diamètre du ballon). Les valeurs A et B sont fonction de la fréquence de 5 balayage du lidar et de la distance d. Des tests ont montré que, pour un ballon de foot de diamètre D=22 cm et une distance d=D/2, plus la fréquence de balayage est élevée, plus la valeur de diamètre minimal est élevée et plus l'intervalle [A,B] est restreint. Une opération de 10 réglage du système est réalisée à l'installation de celui-ci pour déterminer les bornes A et B de l'intervalle et calibrer le système. Si la détection consiste à rechercher un arc, l'opération d'apprentissage sert à déterminer les paramètres de l'arc à rechercher. 15 Cette opération de réglage peut être manuelle ou automatique. Cette opération peut être éventuellement une opération d'apprentissage. La figure 3 est une vue schématique de dessus illustrant le franchissement complet de la ligne de but 3 par un 20 ballon B de diamètre D dans le cas du système des figures 1 et 2 et la figure 4 est un schéma illustrant les résultats de mesure du lidar 4 dans ce cas. Les points Ai correspondent aux points d'impact entre le faisceau laser émis par le lidar et le ballon au cours 25 d'un balayage. Les points Ai forment un arc correspondant à la forme du ballon. Comme indiqué précédemment, étant donné que le ballon peut se déplacer transversalement au plan de détection Pl entre deux points d'impact, il se peut que l'arc ne corresponde pas exactement à un arc de 30 cercle. 3067126 13 Dans l'exemple de la figure 4, les points d'impact Ai forme un arc de cercle appartenant à un cercle (dessiné en traits pointillés) de diamètre D'. Si le diamètre D' est compris dans l'intervalle [A,B] prédéfini, l'unité 5 de traitement 5 peut alors en déduire avec une forte probabilité que l'obstacle détecté par le lidar est un ballon et que celui-ci a franchi entièrement la ligne de but. Bien entendu, dans le cas de fréquences de balayage 10 élevées, les résultats obtenus sur les balayages précédents ou suivants peuvent servir à confirmer le résultat obtenu sur le balayage courant ou à augmenter la probabilité associée à ce résultat. Il est à noter que le ballon ne renvoie pas (par rétrodiffusion) tous 15 les faisceaux laser reçus vers le lidar 4. Les faisceaux laser qui sont proches de la tangente au ballon ne sont pas renvoyés vers le lidar. L'arc de cercle ne comporte donc qu'un nombre limité de points. Le nombre de points Ai dépend de la fréquence de balayage 20 du lidar, de la vitesse du ballon et de la position angulaire du faisceau laser au moment du passage du ballon à travers le plan Pl. La fréquence de balayage du lidar est donc avantageusement supérieure à 100 Hz pour obtenir, en cas de détection d'une portion de cercle, un 25 nombre de points suffisant pour le calcul du diamètre du cercle correspondant. Si les points Ai forment un arc de cercle dont le diamètre D" est inférieur à A, cela signifie que le ballon n'a pas entièrement franchi la ligne de but ou pas encore 30 franchi la ligne de but au cours de ce balayage. Ce cas 3067126 14 est illustré par les figures 5 et 6. Cela peut aussi signifier que l'obstacle détecté n'est pas un ballon de foot. Des moyens complémentaires, qui seront présentés plus en détail dans un autre mode de réalisation, peuvent 5 alors servir à décrypter la scène de la cage de but et confirmer la présence du ballon ou d'un autre obstacle, tel que la main d'un joueur, dans le plan de détection. La fréquence de balayage du lidar est de préférence élevée pour augmenter le nombre de points Ai et faciliter 10 l'interprétation du signal de mesure du lidar. Cette fréquence est avantageusement supérieure à 200 Hz. Cette fréquence de balayage peut être simulée en augmentant le nombre de lidars décalés angulairement. Deux lidars 100 Hz dont les faisceaux laser sont décalés angulairement 15 de n sont équivalents à un lidar 200 Hz. Ce cas sera illustré en référence aux figures 7 et 8. Les figures 7 et 8 illustrent un second mode de réalisation dans lequel le système comporte deux lidars 4a et 4b balayant le plan de détection Pl. Les deux 20 lidars sont disposés dans la goulotte 6 et sont reliés ensemble à l'unité de traitement 5. Les faisceaux laser de ces deux 2 lidars sont de préférence décalés angulairement de n de manière à simuler une fréquence de balayage qui est double par rapport au premier mode de 25 réalisation (un seul lidar). L'unité de traitement 5 détermine la présence d'un ballon dans la zone de détection Dl et la position du ballon par rapport à la ligne de but à partir des signaux de mesure délivrés par les lidars. 3067126 15 De manière générale, le système de l'invention peut comporter n lidars balayant le plan Pl, avec 1-12. Les n lidars sont avantageusement disposés à intervalles réguliers le long d'une ligne parallèle à la ligne de 5 but et ils sont avantageusement agencés pour que leurs 2n faisceaux laser soient décalés angulairement de n . Un tel agencement des lidars revient à multiplier par n la fréquence de balayage. Les figures 9 et 10 illustrent un autre mode de 10 réalisation dans lequel le système comporte deux lidars 4c et 4d balayant respectivement des plans de détection Pl et P2 distincts distants du plan P. La distance entre les plans Pl et P est égale à dl et la distance entre les plans P2 et P est égale à d2, avec dl REVENDICATIONS1) Système de détection du franchissement d'une ligne de but (3) d'une cage de but (1) par un ballon, ladite cage de but s'étendant verticalement au-dessus de la ligne de but, un plan vertical, dit plan de ligne de but (P), étant défini à partir d'un bord arrière de la ligne de but (3), lequel système est caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un lidar (4 ;4a,4b ;4c,4d) agencé pour balayer, au moyen d'un faisceau laser (L) et selon un mouvement de rotation, un plan vertical, dit plan de détection (Pl ;P2), parallèle audit plan de ligne de but (P) et disposé derrière la cage de but, ledit plan de 15 détection étant distant du plan de ligne de but d'une distance (d ; dl, d2) inférieure au diamètre (D) du ballon, ledit lidar générant un signal de mesure, et - une unité de traitement (5) pour traiter ledit signal de mesure de sorte à détecter la présence d'un 20 ballon à l'intérieur d'une zone, dite de détection (Dl), du plan de détection délimitée par la projection orthogonale de la cage de but sur le plan de détection et déterminer la position du ballon par rapport à la ligne de but. 25 2) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance (d) entre le plan de ligne de but (P) et le plan de détection (Pl ;P2) est sensiblement égale à la moitié du diamètre (D/2) du ballon. 30 3067126 21 3) Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un lidar (4) centré par rapport à la cage de but (1). 5 4) Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fréquence de balayage du lidar (4) est supérieure ou égale à 100 Hertz. 5) Système selon la revendication 1 ou 2, 10 caractérisé en ce qu'il comporte n lidars (4a,4b) balayant ledit plan de détection (Pl) et disposés dans le sol, avec il2. 6) Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les n lidars (4a,4b) sont répartis à intervalles réguliers le long d'une ligne parallèle à la ligne de but. 7) Système selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les lidars (4a,4b) sont agencés 2n pour que leurs faisceaux laser soient déphasés de --. n 8) Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la fréquence de balayage de chacun des n lidars (4a,4b) est supérieure ou égale à 100/n Hertz. 9) Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins des premier et deuxième lidars (4c,4d) aptes à balayer respectivement des premier et deuxième plans de détection (P1,P2), chacun desdits premier et deuxième plans de détection 3067126 22 étant distant du plan de ligne de but d'une distance propre (dl,d2) inférieure au diamètre (D) du ballon. 10) Système selon la revendication 9, caractérisé 5 en ce que les premier et deuxième lidars (4c,4d) sont centrés par rapport à la cage de but (1). 11) Système selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que les premier et deuxième lidars 10 (4c,4d) sont agencés pour que leurs faisceaux laser soient synchronisés. 12) Système selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la fréquence 15 de balayage des premier et deuxième lidars (4c,4d) est supérieure ou égale à 100 Hertz. 13) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il 20 comprend en outre au moins une caméra (7) disposée à l'arrière de la cage de but et connectée à l'unité de traitement (5), ladite au moins une caméra étant agencée pour capturer des images de la cage de but et en ce que l'unité de traitement (5) est agencée pour 25 traiter le ou les signaux de mesure provenant du ou des lidar(s) et les images provenant de ladite caméra pour détecter la présence d'un ballon à l'intérieur de ladite zone de détection. 30 14) Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite au moins une caméra est une caméra vidéo rapide dont la fréquence de capture est supérieure ou égale à 120 Hz. 3067126 23 15) Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite au moins une caméra est une caméra 3D dont la fréquence de capture est supérieure ou égale à 5 30 Hz.