Brevet FR3125889A1 — publié le 20230203

L'invention concerne un système embarqué (1) qui permet de reconstituer le profil 2D du terrain devant un véhicule porteur. L’invention comprend : - Un module Doppler à onde entretenue (2) connecté à des modules d’émissions (3) réceptions (4) qui éclairent le terrain situé sous et devant l’aéronef porteur - Un filtre passe bas (5) permettant d’isoler la fréquence doppler du signal obtenu. - Un dispositif de calcul de la transformée de Fourier (6) permettant de déterminer l’angle de l’ensemble des échos reçus suivant le principe d’affûtage du faisceau Doppler. - Un dispositif (8) capable de mesurer la dérive fréquentielle de chaque lobe pour en extraire la dérivée temporelle. - Un calculateur (9) permettant d’estimer les distances entre le radar et chaque objet ayant généré un écho. Une reconstitution 2D du terrain devant l’aéronef porteur peut ainsi s’effectuer à partir de la fréquence Doppler et de la dérive fréquentielle des échos générés par les obstacles présents sur le terrain. Figure pour l'abrégé : [Fig 1] système embarqué à ondes entretenues non modulées d’évitement de terrain Différentes technologies peuvent être embarquées pour assurer la détection du sol devant un véhicule dans le but d’éviter d’éventuelles collisions ou effectuer des mesures topographiques. La solution historique consiste à utiliser un radar à impulsion dont l’antenne génère un faisceau étroit pointant vers l’avant de l’aéronef porteur et incliné vers le bas. La distance est estimée à partir de la mesure du temps séparant l’émission et l’écho. La précision de détection spatiale de cette solution est proportionnelle à la finesse du faisceau radar et donc de la taille de l’antenne employée. Par ailleurs cette solution ne permet d’effectuer qu’une seule mesure de distance pour une position donnée de l’avion porteur, ce qui limite les manœuvres de suivi de terrain. Les systèmes actuels sont basés sur le même principe qui est appliqué à différents types d’onde : lumineuse (LIDAR), sonore (SONAR) ou radio (RADAR). Afin de mesurer plusieurs distances d’une même position, différents systèmes d’orientation du faisceau peuvent être utilisées. Mais ces systèmes se révèlent lourds et complexes. D’autres solutions (US 2004/0178943 A1, RU 2128846) se basent sur l’affûtage du faisceau permis par l’effet Doppler afin de supprimer à la fois le système d’orientation et la nécessité d’un faisceau d’onde étroit. Mais elles nécessitent toujours un système de type impulsionnel onéreux pour déterminer les distances. La présente invention a pour but de diminuer la complexité d’un système de reconstitution de profil 2D du terrain devant un véhicule afin d’éviter les collisions avec le sol, effectuer des relevés topologiques ou évoluer en mode suivi de terrain. L'invention a également pour but de grandement réduire le poids et l’encombrement d’un tel système afin de pouvoir l’embarquer dans des véhicules de petite taille comme des drones par exemple. Pour ce faire, l’invention concerne un système basé sur un module Doppler, émettant une onde entretenue fixe et mesurant la différence entre sa fréquence et celle des échos reçus et dont l’information est traitée pour fournir une représentation 2D du sol devant l’aéronef porteur. Le principe de l’invention considère que les objets survolés ont une vitesse faible par rapport à l’aéronef porteur et peuvent ainsi être considérés comme fixes. Après application d’éventuels filtrages (e.g. passe bas), l’information fournie par le module Doppler subit d’abord une transformation de Fourier qui permet de séparer les fréquences des différents objets ayant généré un écho. En faisant l’hypothèse que la vitesse du véhicule est négligeable par rapport à la vitesse de propagation de l’onde, la variation de fréquence Doppler obtenue est de la forme : Où K est une constante, est le vecteur vitesse de l’aéronef, est le vecteur directeur unitaire de l’axe reliant le système embarqué et l’objet i et est l’angle entre les vecteurs et . peut ainsi être calculé suivant le principe d’affûtage du faisceau Doppler : L’idée originale du présent brevet repose sur l’estimation de la distance séparant l’aéronef et l’objet qui est basé sur un suivi des variations de la fréquence F. Cette variation s’exprime comme : Où est le vecteur accélération du véhicule, est le vecteur unitaire perpendiculaire à et est la vitesse angulaire du vecteur , qui a pour expression : . Ce qui donne : La distance de l’objet i est ainsi : Par ailleurs les erreurs d’estimations sont de la forme : Soit : et : Soit Avantageusement et selon l’invention, les faisceaux d’émission ou de réception peuvent être limités à la partie basse du véhicule. En effet il apparaît que l’expression [Math 1] de θ ne permette pas de déterminer son signe. Avantageusement et selon l’invention, les faisceaux d’émission ou de réception peuvent être orientés de sorte que la zone ou θ est petit ne soit pas éclairée. En effet, d’après [Math 3] et [Math 3] la précision des calculs diverge lorsque θ est petit. Avantageusement et selon l’invention, les faisceaux d’émission ou de réception peuvent être limités à la partie avant du véhicule. En effet, d’après [Math 3] et [Math 3] la précision des calculs est maximale à la verticale et la connaissance du terrain à l’arrière du véhicule n’est d’aucune d’utilité pour le suivi de terrain. Avantageusement et selon l’invention, l’angle latéral des faisceaux d’émission ou de réception peut être limité à la partie avant du véhicule afin de ne générer d’échos que lorsque l’objet éclairé représente un danger pour le véhicule ou pour augmenter la précision des mesures topographiques. Avantageusement et selon l’invention, l’angle latéral de l’objet peut être connu en doublant la chaîne de réception et en appliquant un décalage angulaire entre les faisceaux de réception des deux chaînes. Ainsi en connaissant le diagramme de propagation des faisceaux utilisés et en comparant l’amplitude des signaux reçus, l’angle latéral d’un objet peut être estimé par trilatération. Avantageusement et selon l’invention, la robustesse de la reconstruction topographique peut être améliorée en combinant les différentes mesures au cours du temps. En effet le calcul est effectué entre 2 mesures très rapprochées dans le temps. En faisant l’hypothèse que le terrain survolé n’a pas bougé (les objets détectés sont fixes), il est possible d’augmenter la robustesse de la reconstruction en combinant les différents calculs. L’estimation de la probabilité de présence ou d’absence d’un objet peut être renforcée par des techniques d’inférence bayésiennes et celle de la position des objets ayant généré un écho peut être améliorée en réduisant le bruit. Avantageusement et selon l’invention, la précision des mesures peut être améliorée en calculant pour chaque objet la moyenne pondérée des mesures effectuées au cours du temps en l’ayant préalablement repositionné dans le repère terrestre. En effet la précision des calculs est maximum à la verticale mais certains objets peuvent être masqués dans cette position. La pondération peut par exemple être basée sur l’expression de l’erreur d’estimation. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront au vu de la description qui va suivre et des dessins 5 annexés dans lesquels : - est une vue schématique, en vue de côté, présentant le principe général du système embarqué selon l’invention ; - est un schéma des différents processus effectués par le système embarqué selon l’invention ; - est une vue schématique, en vue de côté, des faisceaux d’émission ou de réception du système embarqué selon l’invention. - est une vue schématique, en vue de haut, des faisceaux d’émission ou de réception du système embarqué selon l’invention. - est une vue schématique, en vue de haut, des faisceaux de deux chaînes d’émission ou de réception du système embarqué selon l’invention. - est une vue schématique, en vue de côté, de la reconstitution 2D utilisant des méthodes bayésiennes. Dans l'exemple représenté à la , le véhicule (10) ayant une vitesse est équipé du système embarqué (1) qui détecte l’objet (11). θ est l’angle formé entre le vecteur et le vecteur directeur unitaire de l’axe entre le système embarqué (1) noté et l’objet (11). Le vecteur est le vecteur normal au vecteur . Dans l'exemple représenté à la , le système embarqué (1) est constitué d’un module Doppler à onde entretenue (2) connecté à des émetteurs (3) et des récepteurs (4). L’information en sortie du module Doppler (2) est filtrée (5) puis passe dans un dispositif de calcul de la transformée de Fourier (6) permettant de séparer les fréquences correspondantes aux différents échos. Un module de calcul (7) estime l’angle à partir de ces fréquences en suivant le principe d’affûtage du faisceau Doppler. Un dispositif (8) calcule la dérivée temporelle de ces fréquences. Un calculateur (9) estime enfin les distances entre le radar et chaque objet ayant généré un écho à partir de ses dérivées. Dans une variante illustrée à la , le faisceau d’émission ou de réception (12) du système embarqué (1) est limité à la partie avant basse du véhicule (10). De plus la zone (13) proche de l’axe longitudinal (14) du véhicule (10) n’est pas éclairée par le faisceau d’émission ou de réception (12). Dans une variante illustrée à la , l’angle latéral du faisceau d’émission ou de réception (12) du système embarqué (1) est limité à la partie avant du véhicule (10). D'autres modifications et adaptations peuvent être apportées à un tel système embarqué. Par exemple, comme représenté à la , une deuxième chaine de réception est ajoutée en appliquant un décalage angulaire entre les faisceaux de réception (12) et (14) de chaque chaine et l’axe longitudinal (14) du véhicule (10). L’angle latéral de l’objet est calculé par trilatération à partir des amplitudes enregistrées par chaque chaine. Dans une variante du système embarqué (1) dans le véhicule (10) illustrée à la , la qualité de la reconstruction 2D (16) est améliorée avec l’arrivée des nouvelles mesures au cours du temps en appliquant des méthodes bayésiennes ou d’amélioration de la précision pour être optimale à la verticale (17) du véhicule (10). Bien entendu, cette description est donnée à titre d’exemple illustratif uniquement et l’homme du métier pourra y apporter de nombreuses modifications sans sortir de la portée de l’invention, comme par exemple orienter le capteur à l’horizontal afin d’effectuer une reconstitution 2D latéral au véhicule. Système (1) embarqué à bord d’un véhicule (10), comprenant : a) Un module Doppler à onde entretenue (2) connecté à des émetteurs (3) et des récepteurs (4). b) Un dispositif de calcul de la transformée de Fourier (6) permettant de déterminer la fréquence et, par calcul (7), l’angle de l’ensemble des échos reçus suivant le principe d’affûtage du faisceau Doppler. c) Un dispositif (8) capable de mesurer la dérivée temporelle de ses fréquences. d) Un calculateur (9) permettant d’en extraire les distances entre le véhicule (10) et chaque objet ayant généré un écho. Système, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’un dispositif (5) filtre l’information fournie par le module Doppler (2) avant de la transmettre au dispositif de calcul de la transformé de Fourier (6). Système, selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le faisceau d’au moins un des émetteurs (3) et/ou récepteur (4) est limité à la partie basse du véhicule (10). Système, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le faisceau d’au moins un des émetteurs (3) et/ou récepteur (4) est limité à la partie avant du véhicule (10). Système, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le faisceau d’au moins un des émetteurs (3) et/ou récepteur (4) est limité latéralement. Système, selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une chaîne de réception qui est doublée en appliquant un décalage angulaire entre les faisceaux de réception des deux chaînes et en ce qu'il comporte un calculateur qui compare l’amplitude des échos reçus pour déterminer l’angle latéral des objets Système, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la précision et la robustesse des mesures est améliorée en combinant les différentes mesures effectuées au cours du temps en appliquant des méthodes bayésiennes ou d’amélioration de la précision après les avoir préalablement repositionnées dans le repère terrestre.