FR2651572A1 - Method and installation for three-dimensional location of a moving machine in a region marked with beacons (lights) - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE ET INSTALLATION DE LOCALISATION TRIDIMENSIONNELLE
D'UN ENGIN MOBILE DANS UNE ZONE BALISEE.THREE-DIMENSIONAL LOCATION METHOD AND INSTALLATION
OF A MOBILE MACHINE IN A MARKED AREA.
DESCRIPTION
L'invention concerne un procédé permettant de réaliser la localisation tridimensionnelle d'un engin mobile se déplaçant dans une zone de travail balisée, ainsi qu'une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé.DESCRIPTION
The invention relates to a method for carrying out the three-dimensional localization of a mobile machine moving in a marked work area, as well as an installation for implementing this method.
Un tel procédé est utilisable notamment dans le domaine des travaux publics, afin d'aider Les conducteurs des engins de chantiers à réaliser des ouvrages tels qu'une route, une voie de chemin de fer, etc., à partir d'informations relatives au tracé de ces ouvrages, fournies par un ordinateur. Such a method can be used in particular in the field of public works, in order to help the drivers of construction equipment to carry out works such as a road, a railway track, etc., from information relating to the layout of these works, provided by a computer.
Actuellement, l'évolution de tels travaux est contrôlée par des géomètres, au fur et à mesure de leur réalisation. A cet effet, les géomètres plantent des piquets et contrôlent de temps à autre l'évolution des ouvrages au moyen d'un théodolite. Currently, the progress of such works is monitored by surveyors, as and when they are carried out. To this end, the surveyors plant stakes and check the progress of the works from time to time using a theodolite.
Dans la pratique, cette technique relativement lourde conduit à des pertes de temps appréciables lors de la réalisation des travaux. De plus, elle nécessite en permanence la présence de géomètres sur le chantier. In practice, this relatively cumbersome technique leads to appreciable time losses when carrying out the work. In addition, it permanently requires the presence of surveyors on the site.
L'invention a précisément pour objet un procédé permettant de localiser à tout instant un engin mobile, par rapport à un repère absolu OXYZ lié à la terre, sans nécessiter d'intervention autre que la mise en place des balises avant le début des travaux. The invention specifically relates to a method for locating at any time a mobile machine, relative to an absolute reference OXYZ linked to the ground, without requiring any intervention other than the installation of beacons before the start of work.
Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de localisation tridimensionnelle d'un engin mobile, caractérisé par le fait qu'il consiste : - à équiper une zone de travail de balises ayant des
coordonnées connues dans un repère absolu, ces balises
étant réparties afin qu'on puisse voir au moins trois
balises à partir de chaque point de cette zone ;; - à effectuer un balayage de ladite zone à partir de
l'engin mobile en faisant tourner sur ce dernier à
vitesse constante, autour d'un axe orienté selon une
direction perpendiculaire à un plan lié à l'engin et
orienté horizontalement lorsque ce dernier est sur une
surface horizontale, au moins une caméra comportant
un capteur linéaire orienté parallèlement audit axe
de façon à mesurer, pour chaque balise observée par
la caméra, un angle de rotation de cette dernière au
tour dudit axe, par rapport à une direction de référen
ce, et un angle d'inclinaison par rapport audit plan
d'une droite joignant La caméra à cette balise ; puis - à calculer, à partir de l'angle de rotation et de l'an
gle d'inclinaison mesurés et des coordonnées connues
des balises, les coordonnées et les angles d'attitude
de l'engin dans ledit repère absolu.In accordance with the invention, this result is obtained by means of a three-dimensional localization process of a mobile machine, characterized in that it consists: - in equipping a work area with beacons having
known coordinates in an absolute coordinate system, these tags
being spread out so we can see at least three
tags from each point in this area ;; - to carry out a scanning of said area from
the mobile machine by rotating on the latter at
constant speed, around an axis oriented along a
direction perpendicular to a plane linked to the machine and
horizontally oriented when the latter is on a
horizontal surface, at least one camera comprising
a linear sensor oriented parallel to said axis
so as to measure, for each tag observed by
the camera, an angle of rotation of the latter at
turn of said axis, relative to a reference direction
ce, and an angle of inclination with respect to said plane
a straight line joining the camera to this tag; then - to calculate, from the rotation angle and from the year
Measured tilt angle and known coordinates
tags, coordinates and attitude angles
of the craft in said absolute benchmark.
Dans un tel procédé, on peut utiliser indifféremment des balises émettrices émettant un faisceau lumineux ou des balises réflectrices. Dans ce dernier cas, une source lumineuse telle qu'un flash synchronisé avec la prise de vue, est associée à la caméra. In such a method, it is possible to use either emitting beacons emitting a light beam or reflecting beacons. In the latter case, a light source such as a flash synchronized with the shooting is associated with the camera.
L'invention a aussi pour objet une installation de localisation tridimensionnelle d'un engin mobile, caractérisée par le fait qu'elle comprend - des balises destinées à être placées dans une zone de
travail de l'engin, en des emplacements de coordonnées
connues dans un repère absolu, ces emplacements étant
choisis afin qu'au moins trois balises soient visibles
de chaque point de la zone de travail ;; - un système rotatif monté sur l'engin mobile de façon
à pouvoir tourner à vitesse constante autour d'un axe
orienté perpendiculairement à un plan lié à l'engin
et orienté horizontalement lorsque l'engin est sur une
surface horizontale, ce système rotatif comportant au
moins une caméra équipée d'un capteur linéaire orienté
parallèlement audit axe et délivrant, pour chaque bali
se observée par la caméra, des signaux représentatifs
d'un angle de rotation de la caméra autour dudit axe,
par rapport à une direction de référence, et d'un angle
d'inclinaison par rapport audit plan d'une droite joi
gnant la caméra à cette balise ; et - des moyens pour déterminer, à partir desdits signaux
et des coordonnées connues des balises, les coordonnées
et les angles d'attitude de l'engin dans ledit repère
absolu.The invention also relates to a three-dimensional location installation of a mobile machine, characterized in that it comprises - beacons intended to be placed in a zone of
work of the machine, in locations of coordinates
known in an absolute coordinate system, these locations being
chosen so that at least three tags are visible
from each point in the work area; - a rotary system mounted on the mobile machine so
to be able to rotate at constant speed around an axis
oriented perpendicular to a plane linked to the machine
and oriented horizontally when the machine is on a
horizontal surface, this rotary system comprising at
minus a camera equipped with a linear oriented sensor
parallel to said axis and delivering, for each bali
is observed by the camera, representative signals
an angle of rotation of the camera about said axis,
with respect to a reference direction, and by an angle
inclination with respect to said plane of a straight line joi
hiding the camera at this tag; and - means for determining, from said signals
and known coordinates of the tags, the coordinates
and the angles of attitude of the machine in said reference frame
absolute.
Un mode de réalisation préféré de l'invention va à présent être décrit, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une vue en coupe transversale représentant un engin mobile tel qu'un engin de chantier dont la localisation est assurée à tout instant par une installation conforme à l'invention ;
- la figure 2 est une vue de côté représentant l'engin de la figure 1 évoluant dans une zone de travail balisée ; et
- la figure 3 est une vue de dessus de la zone de travail illustrée sur la figure 2.A preferred embodiment of the invention will now be described, by way of nonlimiting example, with reference to the accompanying drawings in which
- Figure 1 is a cross-sectional view showing a mobile machine such as a construction machine whose location is ensured at all times by an installation according to the invention;
- Figure 2 is a side view showing the machine of Figure 1 operating in a marked work area; and
- Figure 3 is a top view of the work area illustrated in Figure 2.
Sur la figure 1, on a représenté en coupe transversale une zone, dite zone de travail, dans laquelle un ou plusieurs engins tels que celui qui est désigné par la référence 10, réalisent un ouvrage tel qu'une route R. In Figure 1, there is shown in cross section an area, called work area, in which one or more vehicles such as that which is designated by the reference 10, carry out a structure such as a road R.
Selon une technique actuellement très fréquente, les coordonnées de cet ouvrage par rapport à un repère absolu OXYZ lié à la terre ont été calculées, puis mises en mémoire dans un ordinateur. According to a technique which is currently very common, the coordinates of this work in relation to an absolute landmark OXYZ linked to the earth have been calculated and then stored in a computer.
Conformément à l'invention, chacun des engins tels que l'engin 10 est équipé d'un système optique rotatif 12 permettant de connaître à tout instant les trois paramètres de position (coordonnées x, y, z) et les trois paramètres d'attitude (angles d'attitude V ,) de cet engin dans le repère OXYZ. Les coordonnée x, y et z correspondent aux coordonnées instantanées de l'origine A d'un repère lié à l'engin dans le repère absolu OXYZ et les angles d'attitude correspondent aux angles d'Euler qui déterminent la rotation du repère lié à l'engin par rapport au repère absolu. According to the invention, each of the machines such as the machine 10 is equipped with a rotary optical system 12 making it possible to know at all times the three position parameters (coordinates x, y, z) and the three attitude parameters (attitude angles V,) of this machine in the OXYZ frame. The x, y and z coordinates correspond to the instantaneous coordinates of the origin A of a coordinate system linked to the machine in the absolute coordinate system OXYZ and the attitude angles correspond to the Euler angles which determine the rotation of the coordinate system linked to the machine in relation to the absolute benchmark.
Ces six paramètres peuvent être transmis au conducteur de l'engin de différentes manières, parmi lesquelles on citera leur affichage direct sur le tableau de bord, et l'affichage des écarts entre les paramètres mesurés et les paramètres de l'ouvrage à réaliser. Quelle que soit sa forme, cette information permet au conducteur de l'engin de poursuivre son travail sans interruption jusqu'à l'obtention du résultat désiré. These six parameters can be transmitted to the operator of the vehicle in different ways, among which we will cite their direct display on the dashboard, and the display of deviations between the measured parameters and the parameters of the work to be carried out. Whatever its form, this information allows the operator of the machine to continue his work without interruption until the desired result is obtained.
Le système rotatif 12 équipant chacun des engins 10 du chantier comprend une ou plusieurs caméras 14 à capteurs linéaires CCD ("Charged Coupled Device", c'est-à-dire à "dispositifs à transfert de charge") montées sur une table rotative 16 apte à être entraînez en rotation à vitesse constante par un moteur 18. Un codeur angulaire (non représenté) permet de connaitre à tout instant la position angulaire de la table 16 et des caméras 14 qu'elle supporte par rapport à une direction de référence liée à l'engin et correspondant, par exemple, à l'axe longitudinal de ce dernier. The rotary system 12 equipping each of the machines 10 on the site comprises one or more cameras 14 with linear sensors CCD ("Charged Coupled Device", that is to say "charge transfer devices") mounted on a rotary table 16 able to be driven in rotation at constant speed by a motor 18. An angular encoder (not shown) makes it possible to know at any time the angular position of the table 16 and of the cameras 14 which it supports with respect to a linked reference direction to the machine and corresponding, for example, to the longitudinal axis of the latter.
L'axe de rotation du système rotatif 12 est orienté selon une direction perpendiculaire à un plan
P lié à engin et orienté horizontalement lorsque ce dernier repose sur un plan horizontal. L'axe de chacune des caméras 14 est alors horizontal et orienté radialement par rapport à cet axe de rotation.The axis of rotation of the rotary system 12 is oriented in a direction perpendicular to a plane
P linked to machine and oriented horizontally when the latter rests on a horizontal plane. The axis of each of the cameras 14 is then horizontal and oriented radially with respect to this axis of rotation.
Chacune des caméras 14 comprend un capteur linéaire orienté parallèlement à l'axe de rotation du système rotatif 12. Ce capteur est constitue par une barrette à photodiodes présentant une haute définition, par exemple de 3400 points. Each of the cameras 14 comprises a linear sensor oriented parallel to the axis of rotation of the rotary system 12. This sensor is constituted by a photodiode array having a high definition, for example of 3400 points.
La table 16 ainsi que la ou les caméras 14 sont placées avantageusement sous une cloche de protection 20 étanche et transparente, afin d'éviter que ces appareils ne soient rapidement endommagés par l'environnement sévère qui règne habituellement sur un chantier. Cette cloche 20 est, par exemple, liée à la structure tournante de l'engin 10. The table 16 as well as the camera or cameras 14 are advantageously placed under a waterproof and transparent protective bell 20, in order to prevent these devices from being quickly damaged by the harsh environment which usually prevails on a site. This bell 20 is, for example, linked to the rotating structure of the machine 10.
En plus du système rotatif 12 embarque sur chacun des engins 10 du chantier, l'installation de localisation tridimensionnelle selon l'invention, comprend des balises B1, B2, B3, B4, ... qui sont placées sur le site, dans la zone de travail, avant le début de la réalisation de La route R. In addition to the rotary system 12 on board each of the machines 10 on the site, the three-dimensional localization installation according to the invention includes beacons B1, B2, B3, B4, ... which are placed on the site, in the area before the start of construction of La route R.
Ces balises B1, B2, B3, B4, ... sont mises en place au théodolite par des géomètres, en des emplacements dont les coordonnées dans le repère absolu OXYZ sont parfaitement connues. Ces emplacements sont choisis afin que chacun des engins du chantier puisse voir à tout instant au moins trois des balises, lors de la réalisation de l'ouvrage qui lui est assigne. Dans le cas de la construction d'une route R, les balises B1, B2, B3,
B4, ... sont donc réparties Le long de la route à réaliser, de préférence de part et d'autre de celle-ci, comme l'illustrent les figures 1 à 3.These beacons B1, B2, B3, B4, ... are installed in the theodolite by surveyors, in locations whose coordinates in the absolute coordinate system OXYZ are perfectly known. These locations are chosen so that each of the construction site machines can see at least three of the beacons at any time, when the work assigned to it is being carried out. In the case of the construction of a road R, the tags B1, B2, B3,
B4, ... are therefore distributed along the road to be made, preferably on either side of it, as illustrated in Figures 1 to 3.
Les balises B1, B2, B3, B4, ... sont, de preférence, des balises émettrices émettant chacune un faisceau lumineux apte à être capté par les caméras 14 équi- pant chacun des engins 10. The beacons B1, B2, B3, B4, ... are preferably emitting beacons each emitting a light beam capable of being picked up by the cameras 14 each fitted to the machines 10.
En variante, ces balises peuvent aussi être des balises équipées de rétro-réflecteurs. Dans ce cas, chacun des engins 10 est en outre équipé d'une source lumineuse telle qu'un flash située en un emplacement aussi proche que possible des caméras 14 portées par cet engin. Ce flash peut notamment être synchronisé avec la prise de vue. As a variant, these beacons can also be beacons equipped with retro-reflectors. In this case, each of the machines 10 is further equipped with a light source such as a flash located at a location as close as possible to the cameras 14 carried by this machine. This flash can in particular be synchronized with the shooting.
Pour augmenter la précision des mesures en réduisant les parasites, un filtre interférentiel est avantageusement monté sur le flash et sur la caméra. To increase the accuracy of the measurements by reducing noise, an interference filter is advantageously mounted on the flash and on the camera.
Lorsqu'un ou plusieurs engins 10 équipés d'un système rotatif 12 se déplacent dans La zone de travail balisée, chaque caméra 14 détecte au moins trois balises à chaque tour de ce système rotatif. When one or more vehicles 10 equipped with a rotary system 12 move in the marked work area, each camera 14 detects at least three beacons at each turn of this rotary system.
De façon plus précise, à chaque fois que le plan de visée approximativement vertical de chaque caméra passe par une balise telle que la balise B1, la barrette à photodiodes de cette caméra et Le codeur angulaire associé à la table 16 délivrent des signaux électriques. More precisely, each time that the approximately vertical sighting plane of each camera passes through a beacon such as the beacon B1, the photodiode array of this camera and the angular encoder associated with the table 16 deliver electrical signals.
Ces signaux permettent, d'une part, de connaître l'angle de rotation formé par ce plan de visée avec une direction de référence liée à l'engin, telle que son axe longitudinal (figure 3). Ces signaux permettent aussi de connaître l'angle d'inclinaison par rapport au plan P de la droite
A-B1, A étant un point de la caméra et B1 désignant une zone active de la balise BI (figures 1 et 2).These signals make it possible, on the one hand, to know the angle of rotation formed by this sight plane with a reference direction linked to the machine, such as its longitudinal axis (FIG. 3). These signals also make it possible to know the angle of inclination relative to the plane P of the line.
A-B1, A being a point on the camera and B1 designating an active area of the BI tag (Figures 1 and 2).
Etant donné que les coordonnées des balises
B1, B2, etc., sont connues, la connaissance des angles de rotation et d'inclinaison correspondant à au moins trois balises telles que B1, B2 et B3, obtenue par le balayage de la zone de travail par le système rotatif 12, permet de calculer à chaque instant les coordonnées x, y et z du point A, dans le repère absolu OXYZ, et les angles d'attitude de l'engin par rapport à ce même repère.Since the coordinates of the tags
B1, B2, etc., are known, the knowledge of the angles of rotation and of inclination corresponding to at least three beacons such as B1, B2 and B3, obtained by scanning the working area by the rotary system 12, allows to calculate at all times the x, y and z coordinates of point A, in the absolute coordinate system OXYZ, and the angles of attitude of the machine with respect to this same coordinate system.
Les calculs des coordonnées x, y et z du point
A dans le repère OXYZ et des angles d'attitude de l'engin 10 dans ce repère, à partir des informations fournies par la barrette de photodiodes et par le codeur optique, sont réalisées au moyen d'un calculateur 22 également embarqué sur l'engin.Calculations of the x, y and z coordinates of the point
A in the OXYZ coordinate system and the angles of attitude of the machine 10 in this coordinate system, on the basis of the information provided by the photodiode array and by the optical encoder, are produced by means of a computer 22 also on board the contraption.
Afin que les coordonnées connues de chacune des balises puissent être utilisées par Le calculateur 22, chacune des balises doit pouvoir être identifiée. So that the known coordinates of each of the tags can be used by the computer 22, each of the tags must be able to be identified.
Cela peut être fait par la simple connaissance de l'ordre dans lequel les balises sont vues par L'engin. This can be done by simply knowing the order in which the tags are seen by the device.
Avantageusement, ce résultat peut aussi être obtenu en équipant chaque balise de plusieurs zones émettrices ou réflectrices placées sur une même verticale et séparées par des distances variables d'une balise à l'autre. Chaque balise est ainsi identifiée sur une seule image par la caméra qui l'observe et Les valeurs des coordonnées de cette balise sont exploitées par le calculateur sans aucun risque de confusion. Advantageously, this result can also be obtained by equipping each beacon with several emitting or reflecting zones placed on the same vertical and separated by variable distances from one beacon to another. Each tag is thus identified on a single image by the camera which observes it. The values of the coordinates of this tag are used by the computer without any risk of confusion.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. En particulier, une augmentation du nombre des caméras portées par la table tournante de chacun des engins permet d'accroître la cadence d'acquisition des informations et la précision des mesures. Par ailleurs, Le codeur optique, relativement fragile et coûteux, peut être remplacé par un système simplifié émettant, par exemple, un top à chaque tour, la position du système rotatif par rapport à ce repère étant calculée à partir de la vitesse de rotation de ce système. Of course, the invention is not limited to the embodiment which has just been described by way of example, but covers all its variants. In particular, an increase in the number of cameras carried by the turntable of each of the machines makes it possible to increase the rate of acquisition of information and the precision of the measurements. Furthermore, the relatively fragile and expensive optical encoder can be replaced by a simplified system emitting, for example, a signal at each revolution, the position of the rotary system relative to this reference being calculated from the rotation speed of this system.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8911497A FR2651572B1 (en) | 1989-09-01 | 1989-09-01 | METHOD AND INSTALLATION FOR THREE-DIMENSIONAL LOCATION OF A MOBILE MACHINE IN A MARKED AREA. |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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| FR2651572B1 FR2651572B1 (en) | 1993-11-12 |
Family
ID=9385080
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8911497A Expired - Fee Related FR2651572B1 (en) | 1989-09-01 | 1989-09-01 | METHOD AND INSTALLATION FOR THREE-DIMENSIONAL LOCATION OF A MOBILE MACHINE IN A MARKED AREA. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2651572B1 (en) |
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1989
- 1989-09-01 FR FR8911497A patent/FR2651572B1/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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|---|---|
| FR2651572B1 (en) | 1993-11-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| ST | Notification of lapse |