Brevet FR3091582A1 — publié le 20200710

Description Titre de l'invention : Fusil permettant une simulation précise d'une séquence de tir avec calcul du point d'impact du ou des projectiles. [0001] La présente invention concerne un fusil « no-kilt » permettant une simulation la plus exacte possible d'une séquence de tir et visualisation de l'endroit de l'impact de la munition sur la cible. [0002] Il est connu d'associer des moyens vidéo à un fusil ou pistolet ou revolver ou autre instrument de tir pour pouvoir suivre l'opération de tir. Dans la suite de la description, il sera utilisé le terme générique fusil. On peut citer par exemple le brevet EP0215130A 1 ou plus récemment le brevet W02004070309A 1 qui décrit les principaux composants que l'on peut trouver sur une arme équipée d'un dispositif vidéo, à savoir : [0003] - une caméra vidéo associée à un objectif permettant la capture d'une image ou d'une séquence d'images (typiquement un capteur CCD ou CMOS en mode trigger ou séquentiel) [0004] - un dispositif d'enregistrement local des images (mémoire vive, mémoire flash, disque dur, carte SD,...) [0005] - un dispositif de transmission de ces images de préférence non filaire (Bluctooth, Wifi, GMS, 415G,...) [0006] - un dispositif de synchronisation permettant de déclencher la caméra. [0007] Cette description se retrouve également dans le brevet américain 6000163 mais la finalité de l'équipement de ces armes est de pouvoir disposer d'éléments matériels non contestables qui entourent le tir et son déclenchement. [0008] L'invention ici présentée a une finalité totalement différente. Lc but est de permettre une action parfaitement similaire à une action typique de chasse avec contrôle de l'impact simulé sur la cible visée. En effet, il se trouve de plus en plus de chasseurs qui vont à la chasse non pas pour tuer et ramener du gibier mais pour les à cotés qui peuvent être une promenade, une sortie avec un chien ou le plaisir de la chasse dans le sens de compétition avec l'animal. H pourra également être facilement réalisé des compétitions de chasse dans un domaine déterminé qui présentera la même configuration de faune dans un temps de quelques jours ou quelques semaines. [0009] L'invention propose donc un système permettant la simulation la plus réaliste possible d'un tir typiquement dans le cadre d'une action de chasse. Cela peu inclure mais de manière non exhaustive la prise en compte des paramètres suivants : [0010] - le type de munition (plombs, balle, ...) [0011] - les caractéristiques des munitions (taille, poids, vitesse d'élection, retard à 2 l'éjection, dispersion de la grappe...) [0012] - les caractéristiques du canon (longueur, diamètre, type : lisse, rayé, chockc,...) [0013] - les paramètres de déplacement du fusil (vitesse et accélérations linéaires, vitesse et accélérations angulaires, ...) [0014] - conditions météorologiques [0015] A l'aide de ces paramètres, le but est de fournir un document de type photographique montrant la cible ainsi que le ou les points d'impact. [0016] Nous allons donner ci-après quelques éléments chiffrés permettant de mieux comprendre les éléments techniques constitutifs de l'invention. Les valeurs données ci-après ne le sont qu'à titre d'exemple et ne constituent pas une limitation de l'invention. [0017] Vitesse initiale du projectile : [0018] Balles : 300-900 (m/s) Portée : 1500-4000m [0019] Plombs : 300-400 (m/s) Portée : 150-300m [0020] Si l'on ne s'intéresse qu'aux munitions constituées de plombs, on peut considérer très grossièrement que la portée maximale utile est de 100ms avec une décroissance linéaire de la vitesse. Le temps pour passer de 300m/s à 0 qui correspond à une distance de 150m est alors égal à 1000ms. Si l'on considère que la portée utile est comprise entre 2m et 100m, le temps pour toucher la cible est compris entre 6,7ms et 423ms. [0021] Si l'on considère que la cible a une vitesse tangentielle maximale de 50km/h ou 14m/s, la cible pourra parcourir environ 6m entre le déclenchement du tir et l'arrivée virtuelle de la munition sur la cible. On voit donc qu'une seule prise d'image au moment du tir ne peut permettre une simulation con-ecte du point d'impact. Il est donc nécessaire d'acquérir une séquence d'images pour être ensuite traitée. La fréquence trame d'acquisition est actuellement sur des format typique de 21C2k (compris plus généralement entre 500*500 et 5105k) pixels voisin de 50Hz. Il est cependant tout à fait possible d'augmenter cette vitesse en utilisant des capteurs et des électroniques plus performantes et l'on peut actuellement travailler à des fréquences de plusieurs kHz sur de tels formats. La séquence d'image acquise doit être référencée temporellement par rapport au déclenchement du tir via une gâchette (5). En effet, une simulation précise nécessite de prendre en compte les différents délais entre l'appui sur la gâchette et la sortie du ou des projectiles de la bouche du canon du fusil. En particulier, on s'efforcera de déclencher une image de référence au moment de la sortie du ou des projectiles. Cela est facilement réalisable pour la munition virtuelle sélectionnée mais cela est diffèrent pour une simulation d'un autre projectile possédant des caractéristiques temporelles différentes avec la même séquence d'images. Dans ce cas, il pourra être nécessaire de faire une interpolation entre deux images pour déterminer une image de référence correspondant au moment d'éjection de la munition. 3 [0022] Si l'on considère une fréquence de 50Hz, une séquence classique comportera ty- piquement une vingtaine d'images et le déplacement de la cible entre deux images sera inférieur à 25 cm. Le problème qui se pose alors est que le fusil aura très certainement un mouvement pendant ce temps alors que la trajectoire du projectile après sortie du fusil ne dépend plus de sa position ou orientation. Une solution peut être d'enregistrer tous les déplacements du fusil pendant la séquence d'enregistrement pour pouvoir ensuite simuler correctement la trajectoire du projectile. Celui-ci pourra donc être équipé typiquement d'accélérateurs trois axes associé à des gyroscopes trois axes situés autour de la caméra. Ces capteurs se trouvent sous forme de circuits intégrés indépendants ou tout intégrés dans des centrales inertielles. De préférence, on considérera des centrales inertielles intégrant également des magnétomètres 3 axes et fournissant directement les paramètres d'attitude après fusion de toutes les données. Les données de déplacement de la bouche du fusil pourront également être combinées avec le vecteur vitesse initial intrinsèque du projectile à la sortie du fusil pour prendre en compte et les performances du projectiles et les mouvements du canon du fusil. [0023] Un autre aspect de la simulation est la nécessité de pouvoir faire des opérations de té- lémétrie sur la ou les cibles potentielles afin de détecter correctement le moment de l'impact. Il est possible d'utiliser un télémètre laser mono faisceau classique mais celui ne peut couvrir tous les cas, en particulier celui d'une cible rapide de faible dimension. En effet, le laser est généralement de petite taille et du fait du bougé du fusil, rien ne prouve que le faisceau du télémètre sera pointé correctement sur la cible lors de l'impact simulé. On utilisera préférentiellement des dispositifs stéréoscopiques ou des caméras à temps de vol qui permettent d'avoir une mesure télémétrique d'un champ complet de vision. Il est également possible d'utiliser une lumière structurée ou une multitude de faisceaux laser divergents à partir d'une source unique pour obtenir l'information de distance mais dans le cas de portées élevées il peut s'avérer difficile de détecter les impacts des faisceaux sur la cible. Dans tous les cas, la télémétrie choisie devra permettre une reconstruction 3D dense, à savoir une information de distance pour chaque pixel. [0024] Pour simuler la trajectoire du projectile, il est également nécessaire de connaître l'orientation du fusil lors du déclenchement du tir par rapport à la verticale pour prendre en compte l'effet de la pesanteur sur le trajectoire du projectile. Pour cela l'arme pourra être équipée d'un inclinomètre afin de connaître l'angle initial du projectile ou l'on utilisera les données d'attitude issues de la centrale inertielle. [0025] 11 est possible d'affiner la simulation en prenant en compte les conditions météoro- logiques, en particulier la force et la direction du vent. Ce paramètre pourra être acquis en ajoutant des capteurs au fusil ou si le vent est régulier, en prenant en compte des données météo. [0026] Pour pouvoir simuler correctement l'impact, on peut utiliser en première ap- proximation la méthode suivante : [0027] - On repère l'image de hase. Cette image est celle qui correspond à la sortie du projectile hors du fusil et donc à l'indépendance des trajectoires de la ou des munitions et des fusils. Le temps entre le déclenchement du tir et cette image de référence dépend du percuteur simulé et de la munition virtuelle utilisée mais est typiquement égal à quelques dizaines de millisecondes. Sur cette image, on note la zone ou le pixel correspondant au point d'impact de la munition si celle-ci continuait avec une trajectoire rectiligne. Dans le cas d'une gerbe de plombs, ce point peut être le point central virtuel de la gerbe. Typiquement le point sera très proche du centre du capteur optique. [0028] - On recale les images par une transformation constituée de 2 translations (ligne et colonne de l'image) et d'une rotation par rapport à l'axe optique. Cc recalage peut se faire par corrélation par exemple entre les images ou en utilisant des points remarquables comme cela est classiquement fait en traitement d'images (SIFT, SURF,...). Cela nécessite bien sur que la scène présente suffisamment d'éléments fixes pour ces opérations. Cela peut ne pas être le cas si la cible obscurcit le champ ou si le champ de prise de vue est trop peu étendu. Dans ce cas, cc recalage peut être fait en aveugle en utilisant les données des accéléromètres et gyroscopes. Tl est à noter que ces deux méthodes peuvent être utilisées conjointement pour perfectionner la solution du recadragc. En première approximation on considère qu'il n'est pas besoin d'opérations d'homothétie pour prendre en compte des changements de grandissement. [0029] - On simule pour chaque image recalée la position du projectile en fonction des vecteurs position et vitesse précédents du projectile et de ses caractéristiques et l'on regarde si le projectile atteint un objet de la scène. Il est donc nécessaire de pouvoir connaître avec une relative précision (en particulier dépendant de la vitesse de la cible) la position dans l'espace 3D des différents éléments de la scène. On exploitera pour cela les informations télémétriques obtenues par un des moyens précédemment décrits. Ces opérations de simulation s'arrêtent si une cible est atteinte ou si la portée du ou des projectiles est atteinte, ce qui correspond à la fin de la séquence d'images. [0030] La méthode décrite n'est qu'une illustration particulière d'un processus et il pourra être fait des modélisations plus complexes par exemple en recréant par analyse le mouvement de la caméra par rapport à la scène et en recomposant la scène de manière fine pal- rapport à la position initiale de la caméra correspondant à l'image de base. De manière générale, la méthode de reconstruction de la scène évoluant au cours du temps dépend du mouvement de la ou des caméras pendant l'enregistrement de la séquence. Si le mouvement est faible, il est possible de faire des approximations pour la reconstruction de la scène en supposant par exemple que le seul mouvement à considérer est une faible rotation de la ou des caméras sans translation. Si cela n'est pas le cas, il est nécessaire d'utiliser les éléments de la scène ainsi que les informations des capteurs [0031] Les opérations de calcul de simulation intégrant les données vidéo et les données des différents capteurs pourront être réalisées de manière locale ou déportée. De manière locale, on pourra intégrer un organe de calcul, typiquement un microcontrôleur, un processeur, un DSP ou un FPGA ou on pourra utiliser une carte de calcul déporté, un téléphone portable, un PC ou autre moyen de calcul. [0032] De même, la visualisation des images brutes et ou des images ou de l'image avec point d'impact pourra être effectué localement si le fusil est muni d'un écran ou pourra être déporté, par exemple sur l'écran associé à l'organe de calcul. [0033] Le fusil peut être muni de tout type de lunette habituellement utilisé avec l'arme réelle correspondante. [0034] Le fusil peut être équipé d'un dispositif simulant le recul de l'arme après le tir. Ceci est généralement effectué en propulsant une masse avec une force réglable comme décrit par exemple dans le brevet US9146069. [0035] Le fusil peut être équipé d'un système d'éclairage afin de pallier l'éclairement ambiant si insuffisant. Préférentiellement, ce système sera composé de LEDs émettant un spectre compatible avec le spectre du capteur utilisé dans la caméra. [0036] La figure 1 décrit la composition d'un fusil correspondant à l'invention selon un mode de réalisation. Dans ce mode, on utilise le fait d'avoir un fusil à canons juxtaposés ou superposés pour réaliser un système de vision stéréo. [0037] Les principaux éléments du fusil sont les suivants [0038] - deux canons (1) contenant chacun une caméra associé à son optique (2). Préféren- tiellement, les caméras synchrones entre elles seront synchronisées avec la gâchette (5) pour le départ de la séquence. Afin de garantir la synchronisation des caméras, il est préférable de les synchroniser par un signal externe commun plutôt que de considérer que la fréquence trame d'acquisition est commune aux deux caméras. Les caméras pourront être entièrement intégrées dans les canons et ne pas être visibles extérieurement afin que l'aspect extérieur du fusil soit parfaitement semblable à un fusil fonctionnel. [0039] - un dispositif de stockage (3) permettant l'enregistrement des séquences vidéo ainsi que les données issues des capteurs (7) et (8) [0040] - une alimentation électrique (4) de type piles ou batteries rechargeables. Préféren- tiellement l'alimentation sera intégré dans la crosse du fusil. [0041] - une gâchette (5) permettant le déclenchement du tir simulé [0042] - un système de transmission (6). Ce système permet la transmission de tout ou partie des signaux collectés par le dispositif (3). En particulier il peut permettre de connecter le fusil à une application tournant sur une plate-forme micro-ordinateur ou smartphone et de gérer la configuration du fusil et/ou les opérations de simulation. Ce système de 6 transmission sera de préférence sans-fil (Bluctooth, Wifi, GMS, 4/50,...) niais pourra aussi consister en une liaison filaire ou une double liaison filaire/sans-fil [0043] - une centrale inertielle 6 ou 9 axes (7). Cette centrale peut être intégrée ou les 6/9 in- formations qu'elle délivre (3 accélérations, 3 rotations, 3 valeurs de champ magnétique) peuvent provenir de capteurs distincts, en particulier pour les gyroscopes qui peuvent être intégrés sur les 3 axes de rotation d'une des caméras (2) ou du point milieu des deux caméras. [0044] - un inclinomètre(8). Cet inclinomètre peut être mono-axe mais peut également être de type 2 ou 3 axes. Il est à noter que classiquement l'inclinaison est déterminé par des accéléromètres en mode statique et que par fusion des données d'accélérations et angulaires et/ou magnétiques fournies par les centrales inertielles il est possible d'obtenir une bonne estimation de l'angle en dynamique. Les fonctions ont été séparées car les différentes informations fournies ne sont pas pour les mêmes fonctionnalités : l'inclinomètre est utilisé pour connaître le vecteur vitesse initiale du projectile en sortie de bouche en 3 dimensions et intégrer l'effet de la pesanteur sur la trajectoire, les données 6/9 axes sont utiles pour affiner ce vecteur vitesse en incorporant la vitesse de l'extrémité du canon lors de la sortie du projectile mais principalement pour traiter les séquences vidéo en ternie de recalage pour compenser le mouvement du fusil après éjection du projectile mais avant l'impact avec la cible. [0045] - un organe de calcul (9) permettant d'effectuer la simulation et de calculer l'impact du ou des projectiles sur la cible. Il est à noter que cet organe peut dans un autre mode de réalisation être déporté ou réaliser une partie des opérations tandis qu'une autre partie est déportée [0046] - un écran (10) permettant l'affichage de la photo avec points d'impact. Préféren- tiellement, on prendra l'image de la séquence qui con-espond au moment de l'impact. On pourra également visualiser l'ensemble de la séquence. Cet écran peut être de type tactile ou accompagné d'un dispositif de contrôle (boutons, joystick, tracking-ball,...) pour pouvoir choisir la séquence parmi les différentes séquences enregistrées, visualiser les données issues des capteurs ou tout type de visualisations utiles pour le fonctionnement du système. Cet écran peut également servir à sélectionner le type de munitions utilisés à partir de projectiles pré-enregistrés ou à remplir toutes les caractéristiques d'une nouvelle munition telles que le poids, la taille, la vitesse en sortie de canon, la dispersion, ... Dans un autre mode de réalisation, cet écran peut être déporté. [0047] - un GPS (11) permettant d'associer une localisation aux séquences vidéo. El est également possible d'utiliser directement le GPS d'un smartphone connecté via une application dédiée au fusil. [0048] - un dispositif de simulation de recul (12) 7