EP1261839A1 - Procede et dispositif pour determiner la position ou l'orientation d'un objet - Google Patents
Procede et dispositif pour determiner la position ou l'orientation d'un objetInfo
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- EP1261839A1 EP1261839A1 EP01915444A EP01915444A EP1261839A1 EP 1261839 A1 EP1261839 A1 EP 1261839A1 EP 01915444 A EP01915444 A EP 01915444A EP 01915444 A EP01915444 A EP 01915444A EP 1261839 A1 EP1261839 A1 EP 1261839A1
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- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
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- G01D5/2086—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by movement of two or more coils with respect to two or more other coils
Definitions
- the invention relates to a method for determining the position or orientation of an object using a magnetic field and a corresponding device.
- the desired position can be an abscissa, an ordinate, a dimension, etc ..., and the orientation a pitch angle, yaw or roll, etc ...
- object we mean both a body, an apparatus , a device, a human or animal body, or even a point on a body, an apparatus, a device, a body, human or animal etc ...
- the document FR-A-2 586 302 describes, for example, a process in which the object is fitted with a magnetic dipole constituted by a winding excited by an alternating current generator. Furthermore, there are measurement assemblies in the space where the object is supposed to be located, each assembly comprising directional magnetometers capable of measuring the component along an axis of the ambient magnetic field. The components of the field along the axes are measured using these sets and, depending on the result of these measurements, the coordinates of the origin of the dipole and the orientation angles of the dipole moment are calculated. We can also reverse this arrangement by fixing the sensor on the object and arranging the dipole in a fixed manner in space.
- the object of the present invention is precisely to remedy all of these drawbacks.
- the invention recommends assigning an identity to each field source using a code which is printed in the field.
- This code constitutes a kind of "signature" which will allow, in the sensor, to identify the origin of the field and thus, to restore the contributions of the different sources.
- the present invention relates to a method for determining the position or orientation of an object in space, in which: - in all the space where the object is supposed to be located, a magnetic field using a plurality of N sources (N integer at least equal to 1), - the object is fitted with a magnetic sensor,
- the signal delivered by the sensor is processed to determine the respective contributions of each of the N sources and the position or orientation of the object is deduced therefrom, characterized in that:
- the field produced by each source is coded with a code specific to this source, the N different codes assigned to the N different sources being orthogonal two by two,
- magnetic sensor any means capable of measuring one or more components of a magnetic field or its module.
- the signal delivered is meant the signal or signals delivered by the sensor.
- the N codes used in the N sources consist of N orthogonal pseudo-random binary sequences two by two, the decodings then being correlation operations.
- a pseudo-random binary sequence consists of a sequence of 0 and 1 (or of -1 and 1), this sequence not being periodic. Each element of this sequence has a duration T c .
- the length T s of a sequence is arbitrary but predetermined. It is the same for all sources.
- the number of elements in the sequence is the quotient of T ⁇ by T c .
- the magnetic field created can be the magnetic component of an electromagnetic field, in which case the sources are sources of the electromagnetic field.
- the present invention also relates to a device for implementing this method. This device comprises means capable of carrying out the operations defining the method.
- position or orientation is inclusive, that is to say it covers the cases where it is determined either the position of the object, or its orientation, or both.
- FIG. 1 illustrates the production of a magnetic field which is coded by a pseudo-random identification sequence and which is modulated by a carrier;
- FIG. 3 shows, schematically, an installation implementing the method of one invention.
- codes made up of pseudo-random binary sequences are not limited to this single case and encompasses all the codes which may present between them a certain orthogonality compared to a certain operation.
- this operation is correlation, an operation which is frequently encountered in signal processing.
- a source Si comprising a supply circuit A ⁇ and a winding B ⁇ .
- the index i denotes a rank between 1 and N (inclusive).
- Circuit A comprises a current generator 10, a pseudo-random sequence generator 12, a multiplier 14, a carrier wave generator 16, and a multiplier 18.
- the current produced by the generator 10 is denoted a x (t) and the sequence seqAt).
- the sequence seq x (t) is specific to each source. In order to be able to distinguish the sources from each other, a family of orthogonal sequences is used two by two in the sense of the correlation operation. If the binary sequence has a quasi-white power spectral density, the spectrum of the field produced by the source will be spread around a central frequency (which may possibly be zero). This technique is therefore similar to that of spectrum spreading.
- the carrier p (t) is preferably the same for all the sources.
- the current s x (t) feeds the winding B x , which then produces a magnetic field E coded by the sequence used.
- the amplitude aAt) of the current delivered by the generator 10 can be constant or slowly variable.
- the intensity of the magnetic field can be controlled to obtain an optimal signal-to-noise ratio.
- the N sources S x thus formed are distributed in the space where the object to be located is supposed to be located. They produce at each point in this space a magnetic field which is the sum of all the fields H x produced at this point. This total field must be unequivocally linked at this point.
- the plurality of sources makes it possible to obtain this result and to remove any ambiguity.
- FIG. 2 illustrates the means for measuring the field at a point and the processing carried out.
- These means first comprise a magnetic sensor 20 fixed on the object whose position or orientation is to be measured.
- This sensor receives all the H fields produced by the different sources. It can be directional, that is to say sensitive to the magnetic field along M directions (for example the three directions defined by a trirectangle Oxyz trihedron). In In principle, three directions are sufficient, but more could be used to obtain some redundancy.
- This sensor thus delivers M signals C -, (t) where j denotes a rank (j ranging from 1 to M).
- the means shown then comprise processing circuits CT lr -, each with a carrier generator 32 1:
- the generator 32 1 # - generates a carrier p (t), which will be used for the demodulation of the signal C (t).
- the generator 36 1 #: ⁇ delivers a pseudo-random sequence seq x (t) corresponding to the sequence seqAt) used in the source of rank i.
- the multiplier 38 ⁇ - performs the signal decoding and delivers a signal s 1 ⁇ ;) (t) corresponding to the source of rank i and to the component j of the field measured by the sensor.
- the MN demodulated and decoded signals s 1 # -, (t) (i from 1 to N, j from 1 to M) are then applied to an estimation circuit 40, which will give the position or the orientation, or the position and orientation of the object.
- FIG. 3 illustrates an exemplary implementation in which three field sources and a sensor are used which measure the three components of the field in three directions Ox, Oy, Oz.
- FIG. 3 thus shows: - three sources Si, S 2 , S 3 each composed of a supply Ai, A 2 , A 3 and a coil Bi, B 2 , B 3 ,
- a magnetic sensor 20 fixed to an object not shown, this sensor being directional and delivering three signals C x (t), C y (t) and C z (t) representing the three components of the global magnetic field along three axes Ox , Oy, Oz;
- each of these circuits comprising three circuits similar to the GT 1 circuit ( -, illustrated in FIG. 2, namely CT ⁇ , x , CT 2jX and CT 3 / X as regards of the component according to 0x (only the circuit 30 x is detailed in FIG. 3);
- the number of sources is equal to 3, but this arrangement is in no way limiting. In certain cases, it is possible to use only one source, the code then serving to facilitate the detection of the field in a difficult ambient environment. Correlation will always be implemented and will make it possible to distinguish the useful field from the parasitic fields, which, without coding-decoding, would disturb the measurement.
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Abstract
On code les champs produits par des sources (S1, S2, S3), par exemple par des séquences binaires pseudo-aléatoires. On peut ainsi, dans un capteur (20) fixé à l'objet, distinguer les contributions respectives des différentes sources. De ces contributions on déduit (40) la position ou l'orientation de l'objet sur lequel est fixé le capteur (20). Application dans le télécontrôle, le positionnement, la sécurité, la médecine, etc..
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF POUR DETERMINER LA POSITION OU L'ORIENTATION D'UN OBJET
Domaine technique
L'invention a pour objet un procédé pour déterminer la position ou l'orientation d'un objet à l'aide d'un champ magnétique et un dispositif correspondant . La position recherchée peut être une abscisse, une ordonnée, une cote, etc..., et l'orientation un angle de tangage, de lacet ou de roulis, etc... Par objet, on entend aussi bien un corps, un appareil, un dispositif, un corps humain ou animal, ou même un point d'un corps, d'un appareil, d'un dispositif, d'un corps, humain ou animal etc...
Les applications de 1 ' invention sont nombreuses. On peut citer :
• les applications industrielles comme le télécontrôle, la sécurité, le positionnement d'appareils, le repérage, etc...
• les applications multimédia nécessitant un télépointeur,
• les applications de simulation (simulateurs de vol , etc ... ) ,
• les applications dans les loisirs, comme les jeux en temps réel nécessitant la capture de mouvements (tête, mains, doigts, corps, expression faciale, accessoires, etc...),
• les applications de production d'images de synthèse et d'édition de jeux vidéo, comme l'animation de personnages (capture du mouvement humain ou animal ou d'un accessoire), la capture des mouvements de déformation d'un corps, le contrôle en temps réel d'environnement à trois dimensions,
• les applications médicales comme la mesure de la position de sondes, endoscopes, cathéters, etc..., introduits dans le corps humain, la simulation d'opérations, la navigation dans des structures anatomiques,
• la biomécanique impliquant une analyse du mouvement humain ou animal .
Etat de la technique antérieure
On connaît déjà des procédés pour déterminer la position ou l'orientation d'un objet à l'aide d'un champ magnétique. Le document FR-A- 2 586 302 décrit, par exemple, un procédé dans lequel on équipe l'objet d'un dipôle magnétique constitué par un enroulement excité par un générateur de courant alternatif. Par ailleurs, on dispose des ensembles de mesure dans l'espace où est censé être situé l'objet, chaque ensemble comportant des magnétomètres directionnels aptes à mesurer la composante selon un axe du champ magnétique ambiant. On mesure à l'aide de ces ensembles les composantes du champ le long des axes et, en fonction du résultat de ces mesures, on calcule les coordonnées de l'origine du dipôle et les angles d'orientation du moment dipolaire.
On peut aussi inverser cette disposition en fixant le capteur sur l'objet et en disposant le dipôle de manière fixe dans l'espace.
Une telle . technique se heurte à une difficulté lorsqu'on doit utiliser plusieurs sources de champ magnétique pour lever certaines ambiguïtés. Il faut alors en effet pouvoir distinguer, dans le champ global mesuré, les contributions respectives de chaque source. Pour faire cette distinction deux techniques ont été proposées :
- dans le document US-A-3 983 474, on procède par multiplexage en n'alimentant qu'une source à la fois (ou qu'une combinaison connue de sources) . Ceci permet de ne mesurer que l'effet de la source alimentée (ou de la combinaison de sources alimentées) . En réalisant autant d'alimentations qu'il y a de sources (ou en réalisant autant de combinaisons indépendantes qu'il y a de sources), il est alors possible de remonter à la valeur du champ magnétique produit par chaque source. Ce procédé présente cependant 1 ' inconvénient de réduire la fréquence de calcul, parce qu'il oblige à mettre en oeuvre la séquence d'alimentation à chaque instant où l'on désire connaître la position de l'objet. Or, cette séquence est d'autant plus longue que le nombre de sources est élevé. Il en résulte que la bande passante admissible de variation temporelle des paramètres cinématiques est d'autant plus faible que le nombre de sources est grand.
- Dans le document O/05 768, on utilise plusieurs canaux de fréquences différentes. Si l'on utilise N sources, il faut pouvoir disposer de N fréquences libres dans l'espace où 1 ' on met en oeuvre le procédé, ce qui peut se révéler difficile dans des environnements perturbés. Par ailleurs, cette technique multifréquence ne peut, par définition, être employée dans des systèmes utilisant un champ continu. Cette technique est en plus très sensible au brouillage par des sources parasites travaillant sur des fréquences voisines du système.
La présente invention a justement pour but de remédier à tous ces inconvénients.
Exposé de 1 ' invention
A cette fin, l'invention préconise d'attribuer à chaque source de champ une identité à l'aide d'un code qui est imprimé au champ. Ce code constitue une sorte de "signature" qui va permettre, dans le capteur, d'identifier l'origine du champ et ainsi, de restituer les contributions des différentes sources . De manière plus précise, la présente invention a pour objet un procédé pour déterminer la position ou l'orientation d'un objet dans l'espace, dans lequel : - dans tout l'espace où est censé être situé l'objet on produit un champ magnétique à l'aide d'une pluralité de N sources (N entier au moins égal à 1) ,
- on équipe l'objet d'un capteur magnétique,
- on traite le signal délivré par le capteur pour déterminer les contributions respectives de chacune des N sources et l'on en déduit la position ou l'orientation de l'objet, caractérisé en ce que :
- on code le champ produit par chaque source par un code propre à cette source, les N différents codes affectés aux N différentes sources étant orthogonaux deux à deux,
- on obtient les N contributions respectives des N sources par décodages correspondants aux N co.des utilisés dans les sources .
Par capteur magnétique, on entend tout moyen apte à mesurer une ou plusieurs composantes d'un champ magnétique ou son module.
Par "le signal délivré", on entend le ou les signaux délivré (s) par le capteur. De préférence, les N codes utilisés dans les N sources sont constitués par N séquences binaires pseudo-aléatoires orthogonales deux à deux, les décodages étant alors des opérations de corrélation. Une séquence binaire pseudo-aléatoire est constituée d'une suite de 0 et de 1 (ou de -1 et de 1) , cette suite n'étant pas périodique. Chaque élément de cette séquence a une durée Tc . La longueur Ts d'une séquence est quelconque mais prédéterminée. Elle est la même pour toutes les sources. Le nombre d'éléments de la séquence est le quotient de TΞ par Tc .
Le champ magnétique créé peut être la composante magnétique d'un champ électromagnétique, auquel cas les sources sont des sources de champ électromagnétique. La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce dispositif comprend des moyens aptes à effectuer les opérations définissant le procédé.
Dans les définitions de 1 ' invention qui précèdent, la conjonction "ou" utilisée dans l'expression "la position ou l'orientation", est inclusive, c'est-à-dire qu'elle couvre les cas où l'on détermine soit la position de l'objet, soit son orientation, soit les deux à la fois.
Brève description des dessins
- la figure 1 illustre la production d'un champ magnétique qui est codé par une séquence d'identification pseudo-aléatoire et qui est modulé par une porteuse ;
- la figure 2 illustre les traitements de démodulation et de décodage correspondants ;
- la figure 3 montre, de manière schématique, une installation mettant en oeuvre le procédé de 1 ' invention .
Description de modes particuliers de mise en oeuvre
Dans la description qui suit, on considérera des codes constitués de séquences binaires pseudo-aléatoires. Mais l'invention ne se limite pas à ce seul cas et englobe tous les codes pouvant présenter
entre eux une certaine orthogonalité par rapport à une certaine opération. Dans le cas des séquences pseudoaléatoires, cette opération est la corrélation, opération que 1 ' on rencontre fréquemment dans le traitement de signal.
Sur la figure 1, on voit une source Si comprenant un circuit d'alimentation A± et un bobinage BΣ . L'indice i désigne un rang compris entre 1 et N ( inclus) .
Le circuit A comprend un générateur de courant 10, un générateur de séquence pseudo-aléatoire 12, un multiplicateur 14, un générateur d'onde porteuse 16, et un multiplicateur 18. Le courant produit par le générateur 10 est noté ax(t) et la séquence seqAt). La sortie du multiplieur 14 est notée mx(t) . On a donc : mx (t) = ax (t) .seq! (t) La séquence seqx(t) est propre à chaque source. Pour pouvoir distinguer les sources les unes des autres, on utilise une famille de séquences orthogonales deux à deux au sens de l'opération de corrélation. Si la séquence binaire a une densité spectrale de puissance quasi-blanche, le spectre du champ produit par la source va se trouver étalé autour d'une fréquence centrale (qui peut éventuellement être nulle). Cette technique s'apparente donc à celle de l'étalement de spectre.
Le signal mx(t) ainsi obtenu est ensuite modulé dans le circuit 18 par la porteuse p(t) délivrée par le générateur 16 pour donner le courant définitif sx(t) :
s1(t)=m1(t) .p(t) . La porteuse p(t) est de préférence la même pour toutes les sources. Le courant sx(t) alimente l'enroulement Bx, lequel produit alors un champ magnétique E codé par la séquence utilisée.
L'amplitude aAt) du courant délivré par le générateur 10 peut être constante ou lentement variable. Dans cette dernière hypothèse, on peut contrôler l'intensité du champ magnétique pour obtenir un rapport signal sur bruit optimal. A cet égard, on peut utiliser la technique décrite dans le document WO 96/41119.
Les N sources Sx ainsi constituées (i allant de 1 à N) , sont réparties dans l'espace où est censé se trouver l'objet à repérer. Elles produisent en chaque point de cet espace un champ magnétique qui est la somme de tous les champs Hx produits en ce point. Ce champ total doit être lié sans équivoque à ce point. La pluralité de sources permet d'obtenir ce résultat et de lever toute ambiguïté.
La figure 2 illustre les moyens de mesure du champ en un point et le traitement effectué. Ces moyens comprennent d'abord un capteur magnétique 20 fixé sur l'objet dont on veut mesurer la position ou l'orientation. Ce capteur reçoit tous les champs H produits par les différentes sources. Il peut être directionnel, c'est-à-dire sensible au champ magnétique selon M directions (par exemple les trois directions définies par un trièdre trirectangle Oxyz) . En
principe, trois directions suffisent, mais on pourrait en utiliser davantage pour obtenir une certaine redondance. Ce capteur délivre ainsi M signaux C-,(t) où j désigne un rang (j allant de 1 à M) . Les moyens représentés comprennent ensuite des circuits de traitement CTlr-, avec chacun un générateur de porteuse 321 :| un multiplieur 341>3, un générateur de séquence pseudo-aléatoire 361;-,, un multiplieur 381 -, . Le générateur 321#- engendre une porteuse p(t), qui va servir à la démodulation du signal C (t) . Le générateur 361#:ι délivre une séquence pseudo-aléatoire seqx(t) correspondant à la séquence seqAt) utilisé dans la source de rang i. Le multiplieur 38^-, réalise le décodage du signal et délivre un signal s1<;)(t) correspondant à la source de rang i et à la composante j du champ mesuré par le capteur.
Les MN signaux démodulés et décodés s1#-,(t) (i de 1 à N, j de 1 à M) sont ensuite appliqués à un circuit d'estimation 40, qui va donner la position ou l'orientation, ou la position et l'orientation de 1 ' objet .
La figure 3 illustre un exemple de mise en oeuvre où l'on utilise trois sources de champ et un capteur mesurant les trois composantes du champ selon trois directions Ox, Oy, Oz . On a donc N=3 et M=3 , soit 3 séquences pseudo-aléatoires orthogonales et 9 opérations de démodulation et décodage.
L'ensemble de la figure 3 montre ainsi :
- trois sources Si, S2, S3 composées chacune d'une alimentation Ai, A2, A3 et d'un bobinage Bi, B2 , B3,
- un capteur magnétique 20, fixé à un objet non représenté, ce capteur étant directionnel et délivrant trois signaux Cx(t), Cy(t) et Cz(t) représentant les trois composantes du champ magnétique global selon trois axes Ox, Oy, Oz ;
- trois circuits de traitement 30x, 30y, 302 recevant respectivement les signaux Cx(t),
Cy(t) , Cz(t), chacun de ces circuits comprenant trois circuits analogues au circuit GT1(-, illustré sur la figure 2, à savoir CTι,x, CT2jX et CT3/X pour ce qui est de la composante selon 0x(seul le circuit 30x est détaillé sur la figure 3 ) ;
- un circuit 40 mettant en oeuvre un algorithme de localisation ou de détermination de l'orientation (ou les deux) de l'objet à partir des 3x3=9 signaux qu'il reçoit.
Dans la description qui précède, le nombre de sources est égal à 3 mais cette disposition n'est en rien limitative. On peut, dans certains cas, n'utiliser qu'une seule source, le code servant alors à faciliter la détection du champ dans un milieu ambiant difficile. La corrélation sera toujours mise en oeuvre et permettra de distinguer le champ utile des champs parasites, qui, sans le codage-décodage, viendraient perturber la mesure.
Claims
1. Procédé pour déterminer la position ou l'orientation d'un objet dans l'espace, dans lequel : - dans tout l'espace où est censé être situé l'objet on produit un champ magnétique (Hi) à l'aide d'une pluralité de N sources (Si) (N entier au moins égal à 1) ,
- on équipe l'objet d'un capteur magnétique (20), - on traite le signal (Cj(t)) délivré par le capteur (20) pour déterminer les contributions respectives de chacune des N sources (Si) et l'on en déduit- la position ou l'orientation de l'objet, caractérisé en ce que : - on code le champ (Hi) produit par chaque source (Si) par un code propre à cette source, les N différents codes affectés aux N différentes sources étant orthogonaux deux à deux,
- on obtient les N contributions respectives des N sources par décodages correspondants aux N codes utilisés dans les sources.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les N codes utilisés dans les N sources sont constitués par N séquences binaires pseudo-aléatoires (seqι(t)) orthogonales deux à deux, les décodages étant alors des opérations de corrélation.
3. Procédé selon la revendication 2 , dans lequel on effectue en outre, dans chaque source, une modulation sinusoïdale du champ et, dans lequel on effectue, dans les moyens de traitement, une démodulation correspondante.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, dans le capteur (20) , on mesure M composantes du champ selon M directions différentes (Ox, 0y, Oz) (M entier au moins égal à 1) et l'on effectue les N décodages sur chacune des M composantes pour obtenir les N contributions des N sources { SA à chacune de ces M composantes .
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le champ magnétique produit par les sources est la composante magnétique d'un champ électromagnétique, les sources étant alors des sources de champ électromagnétique .
6. Dispositif pour déterminer la position ou l'orientation d'un objet dans l'espace mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, comprenant :
- dans tout l'espace où est censé être situé l'objet une pluralité de N sources { SA de champ magnétique (Hx) (N entier au moins égal à 1) ,
- un capteur magnétique (20) équipant l'objet,
- des moyens de traitement du signal (C-,(t)) délivré par le capteur (20) , ces moyens étant aptes à déterminer les contributions respectives de chacune des N sources { SA et pour en déduire la position ou l'orientation de l'objet, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- des moyens pour coder le champ {HA produit par chaque source SA P r un code propre à cette source, les N différents codes affectés aux N différentes sources étant orthogonaux deux à deux,
- des moyens de décodage du champ à 1 ' aide des N codes pour obtenir les N contributions respectives des N sources .
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les N codes utilisés dans les N sources sont constitués par N séquences binaires pseudo-aléatoires (seqx(t)) orthogonales deux à deux, les moyens de décodage étant alors des moyens de corrélation.
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel chaque source comprend un générateur de porteuse (16) et, dans lequel les moyens de traitement comprennent des moyens de démodulation correspondante.
9. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le capteur (20) mesure M composantes du champ selon M directions différentes (Ox, Oy, Oz) (M entier au moins égal à 1) et dans lequel les moyens de traitement comprennent des moyens pour effectuer les N décodages sur chacune des M composantes et délivrent les N contributions des N sources (S à chacune de ces M composantes.
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