FR2749086A1 - Dispositif de mesure optique de la vitesse d'un objet - Google Patents
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Abstract
L'objet (2) est mobile par rapport à une surface (4), suivant une trajectoire donnée. Le dispositif comprend des moyens d'émission de lumière (22a, 22b), des moyens de réception de lumière rétrodiffusée, comprenant au moins un réseau linéaire de photodétecteurs (16a, 16b), et des moyens (18) de traitement, par corrélation, des signaux fournis par au moins deux des photodétecteurs, pour déterminer la vitesse de l'objet. L'espacement des deux photodétecteurs est choisi en fonction de la vitesse. Application à la mesure de la vitesse et de la distance parcourue par un véhicule ou à la mesure du défilement d'un produit, par exemple une bande de métal dans un laminoir, une bande de papier dans une papeterie, un fil dans une filature.
Description
DISPOSITIF DE MESURE OPTIQUE DE LA VITESSE D'UN OBJET
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif de mesure optique de la vitesse d'un objet.
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif de mesure optique de la vitesse d'un objet.
L'invention permet également de déterminer, si on le souhaite, la distance parcourue par cet objet ainsi que le sens du déplacement de celui-ci.
L'invention permet de mesurer la vitesse de l'objet sans contact avec celui-ci et avec une grande précision et une grande dynamique.
La présente invention s'applique notamment à la mesure de la vitesse d'un véhicule ou à la mesure de la vitesse de défilement d'un produit, comme par exemple une bande de métal dans un laminoir, une bande de papier dans une papeterie ou encore un fil dans une filature.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans le domaine des transports terrestres, la technique la plus couramment utilisée pour mesurer la vitesse et la distance parcourue par un véhicule consiste à mesurer la rotation angulaire de l'une des roues de ce véhicule.
Dans le domaine des transports terrestres, la technique la plus couramment utilisée pour mesurer la vitesse et la distance parcourue par un véhicule consiste à mesurer la rotation angulaire de l'une des roues de ce véhicule.
Cette technique simple ne permet d'obtenir une bonne précision de mesure qu'à condition de disposer, sur le véhicule, d'une roue non motrice et non freinee.
Lorsque cette condition ne peut être remplie et que l'on souhaite disposer d'une mesure précise de vitesse, il est nécessaire de faire appel à des techniques de mesure sans contact.
On connaît diverses techniques de mesure de vitesse sans contact.
On connaît notamment - les techniques utilisant l'effet Doppler qui sont
principalement mises en oeuvre dans des systèmes
électromagnétiques, comme par exemple les radars, ou
dans des systèmes électroacoustiques, - les techniques inertielles, - les techniques de triangulation par rapport à des
points de référence qui sont placés au sol ou dans
l'espace, et - les techniques de corrélation comme par exemple les
techniques de corrélation temporelle.
principalement mises en oeuvre dans des systèmes
électromagnétiques, comme par exemple les radars, ou
dans des systèmes électroacoustiques, - les techniques inertielles, - les techniques de triangulation par rapport à des
points de référence qui sont placés au sol ou dans
l'espace, et - les techniques de corrélation comme par exemple les
techniques de corrélation temporelle.
La présente invention met précisément en oeuvre une technique de corrélation temporelle dont les principaux avantages sont indiqués ci-après.
Une telle technique présente une grande précision et une grande stabilité qui sont en partie liées au principe de mesure relative, principe qui minimise les effets perturbateurs tels que les variations de température par exemple.
De plus, une telle technique conduit à des dispositifs dont la conception et le fonctionnement sont simples.
Les dispositifs connus de mesure optique de la vitesse d'un objet, qui mettent en oeuvre une technique de corrélation temporelle, sont des dispositifs qui utilisent une base de mesure constante.
Ces dispositifs connus présentent l'inconvénient d'avoir une dynamique de vitesses qui est limitée.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier à l'inconvénient précédent en proposant un dispositif susceptible de mesurer des vitesses dans un domaine plus étendu.
La présente invention a pour but de remédier à l'inconvénient précédent en proposant un dispositif susceptible de mesurer des vitesses dans un domaine plus étendu.
Pour ce faire, la présente invention utilise une technique de corrélation temporelle avec une base de mesure, ou base de corrélation, qui est géométriquement variable en fonction de la vitesse.
De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de mesure optique de la vitesse relative d'un objet mobile par rapport à une surface, suivant une trajectoire donnée, ce dispositif étant fixe par rapport à la surface ou à l'objet, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens d'émission de lumière en direction de
l'objet, lorsque le dispositif est fixe par rapport à
la surface, l'objet étant alors apte à rétrodiffuser
la lumière, ou en direction de la surface, lorsque le
dispositif est fixe par rapport à l'objet, la surface
étant alors apte à rétrodiffuser la lumière, - des moyens de réception de la lumière rétrodiffusée,
ces moyens de réception comprenant au moins un réseau
linéaire ( linear array ) de photodétecteurs qui
est disposé parallèlement à la trajectoire de l'objet
et destiné à recevoir la lumière rétrodiffusée, et - des moyens électroniques de traitement, par
corrélation, des signaux électriques fournis par au
moins deux des photodétecteurs, ces moyens
électroniques de traitement étant prévus pour
déterminer la vitesse de l'objet à des moments
successifs, l'espacement des deux photodétecteurs
étant variable et choisi, pour chaque cycle de
mesure, en fonction de la vitesse de l'objet,
déterminée lors d'un cycle de mesure précédent ou par
une méthode d'approximation, par exemple un
algorithme de prédiction.
l'objet, lorsque le dispositif est fixe par rapport à
la surface, l'objet étant alors apte à rétrodiffuser
la lumière, ou en direction de la surface, lorsque le
dispositif est fixe par rapport à l'objet, la surface
étant alors apte à rétrodiffuser la lumière, - des moyens de réception de la lumière rétrodiffusée,
ces moyens de réception comprenant au moins un réseau
linéaire ( linear array ) de photodétecteurs qui
est disposé parallèlement à la trajectoire de l'objet
et destiné à recevoir la lumière rétrodiffusée, et - des moyens électroniques de traitement, par
corrélation, des signaux électriques fournis par au
moins deux des photodétecteurs, ces moyens
électroniques de traitement étant prévus pour
déterminer la vitesse de l'objet à des moments
successifs, l'espacement des deux photodétecteurs
étant variable et choisi, pour chaque cycle de
mesure, en fonction de la vitesse de l'objet,
déterminée lors d'un cycle de mesure précédent ou par
une méthode d'approximation, par exemple un
algorithme de prédiction.
Deux cas sont ainsi possibles - le dispositif peut être fixé à l'objet -par exemple
un véhicule- dont on peut déterminer la vitesse par
rapport à la surface (généralement le sol) ou - le dispositif peut être fixe par rapport à la surface
et mesurer la vitesse de l'objet -par exemple un
produit défilant- qui se déplace par rapport à cette
surface.
un véhicule- dont on peut déterminer la vitesse par
rapport à la surface (généralement le sol) ou - le dispositif peut être fixe par rapport à la surface
et mesurer la vitesse de l'objet -par exemple un
produit défilant- qui se déplace par rapport à cette
surface.
Le dispositif permet également de déterminer la distance parcourue par l'objet, par intégration de la vitesse ainsi mesurée, ainsi que le sens de parcours de la trajectoire.
Les moyens de réception de la lumière rétrodiffusée peuvent comprendre un seul réseau linéaire de photodétecteurs qui est disposé parallèlement à la trajectoire de l'objet.
Pour augmenter la dynamique des vitesses ou obtenir une redondance des mesures, les moyens de réception de la lumière rétrodiffusée peuvent comprendre au moins deux réseaux linéaires de photodétecteurs qui sont alignés, parallèles à la trajectoire de l'objet et espacés d'une distance fixe l'un par rapport à l'autre.
Les moyens électroniques de traitement sont alors prévus pour traiter les signaux fournis par au moins deux photodétecteurs de chaque réseau linéaire et faire des traitements d'intercorrélation.
Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les moyens de réception de la lumière rétrodiffusée comprennent au moins deux réseaux linéaires de photodétecteurs qui sont alignés, parallèles à la trajectoire de l'objet et espacés d'une distance fixe l'un par rapport à l'autre.
Les moyens électroniques de traitement sont alors prévus pour traiter les signaux fournis par au moins deux photodétecteurs appartenant respectivement aux deux réseaux linéaires ou par au moins deux photodétecteurs d'un même réseau linéaire.
Ainsi, conformément à la présente invention, pour mesurer de faibles vitesses, la corrélation est réalisée sur un seul réseau linéaire de photodétecteurs, en utilisant au minimum deux photodétecteurs parmi les photodétecteurs de ce réseau linéaire, ou parallèlement sur deux réseaux linéaires de photodétecteurs, si l'on veut faire des mesures redondantes, par exemple pour des raisons de sécurité.
Pour de grandes vitesses, on corrèle un ou une pluralité de photodétecteurs d'au moins deux réseaux linéaires de photodétecteurs
Dans un dispositif conforme à l'invention, comprenant deux réseaux linéaires de photodétecteurs, on peut par exemple utiliser un seul des deux réseaux pour les faibles vitesses puis les deux réseaux pour les grandes vitesses.
Dans un dispositif conforme à l'invention, comprenant deux réseaux linéaires de photodétecteurs, on peut par exemple utiliser un seul des deux réseaux pour les faibles vitesses puis les deux réseaux pour les grandes vitesses.
Dans le dispositif objet de l'invention, les moyens d'émission de lumière peuvent comprendre - au moins une source de lumière, et - au moins un système optique apte à former, à partir
de la lumière fournie par la source, un faisceau
lumineux de forme allongée et parallèle à la
trajectoire de l'objet.
de la lumière fournie par la source, un faisceau
lumineux de forme allongée et parallèle à la
trajectoire de l'objet.
On obtient ainsi au moins une ligne lumineuse expansée sur la surface, généralement le sol (lorsque le dispositif est fixe par rapport à l'objet), ou sur l'objet (lorsque le dispositif est fixe par rapport à la surface), parallèlement à la trajectoire de cet objet.
En utilisant un système optique de type réseau de diffraction par exemple, ce ou ces faisceaux lumineux peuvent être remplacés par une pluralité de faisceaux lumineux élémentaires contenus dans un plan parallèle à la trajectoire de l'objet.
On remplace ainsi avantageusement la ou les lignes lumineuses mentionnées plus haut par une ou des suites de points lumineux alignés en réalisant un gain de lumière substantiel.
Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les moyens d'émission de lumière permettent, par un moyen de réflexion optique, d'orienter le ou les faisceaux lumineux en direction de l'objet (lorsque le dispositif est fixe par rapport à la surface) ou en direction de la surface (lorsque le dispositif est fixe par rapport à l'objet), de telle sorte que chaque faisceau lumineux soit centré et mis dans un même plan que la normale au réseau linéaire de photodétecteurs associé.
Pour focaliser sur chaque réseau linéaire la lumière rétrodiffusée, un moyen optique approprié est alors placé en regard de chaque réseau linéaire de photodétecteurs.
Les moyens de réception de la lumière rétrodiffusée du dispositif objet de l'invention peuvent comprendre en outre des moyens de filtrage en longueur d'onde de la lumière rétrodiffusée pour réduire l'influence de toute lumière parasite dont la longueur d'onde est différente de celle de la lumière fournie par les moyens d'émission.
Ces moyens de réception de la lumière rétrodiffusée peuvent également comprendre, devant chaque réseau linéaire de photodétecteurs, un moyen apte à filtrer spatialement cette lumière rétrodiffusée.
Dans la présente invention, on peut utiliser des moyens électroniques de traitement prévus pour échantillonner les signaux fournis par les photodétecteurs à une fréquence constante, indépendante de la vitesse de l'objet, ou à une fréquence variable, adaptée à la vitesse de l'objet, déterminée lors d'une mesure précédente ou par une méthode d'approximation (par exemple un algorithme de prédiction).
Comme on l'a vu précédemment, les moyens électroniques de traitement sont prévus pour déterminer cycliquement la vitesse de l'objet.
Pour adapter la base de corrélation, c'està-dire pour déterminer l'espacement entre photodétecteurs pour un cycle, on utilise la vitesse mesurée au cycle précédent ou une vitesse obtenue par une méthode d'approximation, par exemple lorsqu'il y a absence de mesure au cycle précédent.
De préférence, la méthode d'approximation est un filtrage de Kalman.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 illustre schématiquement et
partiellement un dispositif conforme à la
présente invention,
- la figure 2 est la courbe des variations d'une
fonction d'auto-corrélation en fonction du temps,
qui est relative à un dispositif du genre de
celui de la figure 1,
- la figure 3 est une vue schématique d'un mode de
réalisation particulier du dispositif objet de
l'invention,
- la figure 4 illustre schématiquement le
recouvrement des deux plages de mesure de vitesse
obtenues respectivement par traitement de
corrélation d'au moins deux éléments
photodétecteurs, soit au niveau d'un même réseau
linéaire (Vlmin à Vlmax) soit entre deux réseaux
(V2min à V2max) permettant ainsi une grande
dynamique de mesure continue,
- la figure 5 illustre schématiquement un cycle de
calcul dans un dispositif conforme à l'invention,
- la figure 6 est une vue schématique et partielle
d'un dispositif conforme à l'invention,
comprenant un système optique qui permet
d'envoyer vers le sol, par rapport auquel le
dispositif se déplace, une pluralité de faisceaux
lumineux élémentaires, et
- la figure 7 illustre schématiquement un
dispositif conforme à l'invention qui est fixe
par rapport au sol et destiné à mesurer la
vitesse d'un objet mobile en translation par
rapport au sol.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 illustre schématiquement et
partiellement un dispositif conforme à la
présente invention,
- la figure 2 est la courbe des variations d'une
fonction d'auto-corrélation en fonction du temps,
qui est relative à un dispositif du genre de
celui de la figure 1,
- la figure 3 est une vue schématique d'un mode de
réalisation particulier du dispositif objet de
l'invention,
- la figure 4 illustre schématiquement le
recouvrement des deux plages de mesure de vitesse
obtenues respectivement par traitement de
corrélation d'au moins deux éléments
photodétecteurs, soit au niveau d'un même réseau
linéaire (Vlmin à Vlmax) soit entre deux réseaux
(V2min à V2max) permettant ainsi une grande
dynamique de mesure continue,
- la figure 5 illustre schématiquement un cycle de
calcul dans un dispositif conforme à l'invention,
- la figure 6 est une vue schématique et partielle
d'un dispositif conforme à l'invention,
comprenant un système optique qui permet
d'envoyer vers le sol, par rapport auquel le
dispositif se déplace, une pluralité de faisceaux
lumineux élémentaires, et
- la figure 7 illustre schématiquement un
dispositif conforme à l'invention qui est fixe
par rapport au sol et destiné à mesurer la
vitesse d'un objet mobile en translation par
rapport au sol.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un dispositif conforme à l'invention est appelé un "odomètre".
Un dispositif conforme à l'invention est appelé un "odomètre".
C'est un dispositif de mesure de vitesse et de distance parcourue.
Dans le cas de la présente invention, l'odomètre fonctionne sans contact, par mesure optique et intercorrélation.
Le principe de la mesure d'une vitesse longitudinale avec la présente invention est fondé sur la corrélation de signaux engendrés par des photodétecteurs qui sont soumis à la rétrodiffusion, par une surface comme par exemple le sol, d'un éclairage par exemple de type laser.
Cette mesure de vitesse consiste à définir le décalage temporel entre les signaux issus de photodétecteurs (au moins deux photodétecteurs) qui appartiennent - soit à un même réseau linéaire de photodétecteurs et
dont l'espacement, géré de façon dynamique et en
fonction de la vitesse, est connu précisément à un
instant donné, - soit à deux réseaux linéaires de photodétecteurs
espacés d'une distance fixe.
dont l'espacement, géré de façon dynamique et en
fonction de la vitesse, est connu précisément à un
instant donné, - soit à deux réseaux linéaires de photodétecteurs
espacés d'une distance fixe.
L'association de ces deux principes permet de disposer d'une base de corrélation géométriquement variable, permettant ainsi d'effectuer des mesures avec une grande dynamique de vitesses.
Considérons maintenant la figure 1 qui illustre schématiquement et partiellement un dispositif conforme à l'invention.
Ce dispositif est destiné à la mesure optique de la vitesse d'un objet 2, par exemple un véhicule, mobile par rapport à une surface 4 comme par exemple le sol, suivant une trajectoire donnée, et se déplaçant dans le sens indiqué par la flèche F sur la figure 1.
Le dispositif, référencé 6, est fixé au véhicule 2.
Ce dispositif comprend un ou une pluralité de réseaux linéaires de photodétecteurs 8 ainsi que des moyens optiques 10 placés entre ce ou ces réseaux 8 et le sol 4.
Le dispositif 6 comprend aussi des moyens non représentés qui émettent de la lumière en direction du sol.
Celui-ci rétrodiffuse alors cette lumière.
Les moyens optiques 10 sont destinés à focaliser la lumière rétrodiffusée sur le ou les réseaux de photodétecteurs 8.
Conformément à l'invention, deux photodétecteurs 12 et 14 qui appartiennent à un même réseau de photodétecteurs ou qui appartiennent respectivement à deux réseaux distincts de photodétecteurs sont sélectionnés.
Ces photodétecteurs 12 et 14 se trouvent à une distance D l'un de l'autre.
La lumière rétrodiffusée par le sol sur le photodétecteur 12 à un instant T sera rétrodiffusée sur le photodétecteur 14 à 11 instant T+6T.
Dans ces conditions, la vitesse V du véhicule est égale à D/6T.
En notant x(t) et y(t) les signaux électriques fournis respectivement par les photodétecteurs 12 et 14 en fonction du temps t, et si les moyens optiques 10 qui leurs sont associés sont les mêmes, ces signaux x(t) et y(t) sont identiques, à un décalage temporel près, égal à bT.
Ce décalage est fonction de la vitesse du véhicule.
Les signaux x(t) et y(t) sont des fonctions aléatoires qui dépendent de la granulométrie de la surface rétrodiffusante (le sol dans l'exemple considéré), de la vitesse de déplacement de l'objet, des moyens optiques de focalisation 10 et de la bande passante des moyens électroniques non représentés qui sont associés au(x) réseau(x) pour traiter les signaux fournis par ce ou ces réseaux.
Ces divers paramètres limitent la bande passante des signaux électriques.
Selon la présente invention, on calcule la fonction d'intercorrélation entre les signaux x(t) et y(t).
La figure 2 représente la courbe des variations de la fonction d'intercorrélation continue
Cxy(t) en fonction du temps t, dans un intervalle allant de l'instant 0 à un instant tm.
Cxy(t) en fonction du temps t, dans un intervalle allant de l'instant 0 à un instant tm.
L'abscisse du sommet du pic de corrélation de cette fonction continue est notée tO.
La largeur à mi-hauteur de ce pic est proportionnelle à l'inverse de la largeur de la bande passante des signaux.
Il est préférable de disposer de signaux a large bande passante pour obtenir un pic étroit que l'on détecte avec plus de précision.
Plus précisément, dans les moyens électroniques de traitement (non représentés), ces signaux sont échantillonnés pendant un temps déterminé, formant ainsi un nombre N d'échantillons par cycle de mesure.
Ces échantillons sont également mémorisés et traités dans ces moyens électroniques de traitement.
Avec au moins 2N échantillons, ces moyens électroniques de traitement déterminent, à partir d'une fonction de corrélation discrète entre les signaux, le numéro TO de l'échantillon correspondant au maximum de cette fonction de corrélation discrète.
Chaque valeur Cxy(X) de cette fonction discrète est donnée par la formule suivante
La connaissance de tO permet de déterminer le temps to correspondant au pic de corrélation et donc de déterminer la vitesse V, comme on l'a vu précédemment : V=D/6T=D/tO.
Les moyens électroniques sont également capables de déterminer, par traitement d'intercorrélation, le sens de déplacement de l'objet ainsi que la distance parcourue par celui-ci (par intégration de la vitesse).
La figure 3 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention dans une configuration disposant d'au moins deux réseaux linéaires de photodétecteurs.
Le dispositif 6 de la figure 3 est encore destiné à la mesure optique de la vitesse d'un objet 2, comme par exemple un véhicule, sur lequel est monté ce dispositif et qui se déplace par rapport au sol 4 suivant une direction indiquée par la flèche F.
Le dispositif représenté sur la figure 3 comprend - des moyens d'émission de lumière en direction du sol,
ce dernier étant apte à rétrodiffuser la lumière, - des moyens de réception de la lumière rétrodiffusée
comprenant deux réseaux linéaires de photodétecteurs
qui ont respectivement les références 16a et 16b et
qui sont disposés parallèlement à la trajectoire du
véhicule 2 et destinés à recevoir la lumière
rétrodiffusée, et - des moyens électroniques 18 de traitement, par
corrélation, des signaux électriques fournis par deux
photodétecteurs, ces derniers appartenant soit à un
même réseau soit respectivement aux deux réseaux 16a
et 16b.
ce dernier étant apte à rétrodiffuser la lumière, - des moyens de réception de la lumière rétrodiffusée
comprenant deux réseaux linéaires de photodétecteurs
qui ont respectivement les références 16a et 16b et
qui sont disposés parallèlement à la trajectoire du
véhicule 2 et destinés à recevoir la lumière
rétrodiffusée, et - des moyens électroniques 18 de traitement, par
corrélation, des signaux électriques fournis par deux
photodétecteurs, ces derniers appartenant soit à un
même réseau soit respectivement aux deux réseaux 16a
et 16b.
Les moyens électroniques de traitement 18 sont conçus pour déterminer la vitesse du véhicule 2 à des moments successifs, ltespacement des deux photodétecteurs étant variable et choisi, à un moment donné, en fonction de la vitesse de l'objet, déterminée à un moment précédent.
Dans l'exemple représenté sur la figure 3, le dispositif comprend deux voies de mesure 20a et 20b qui sont identiques l'une à l'autre et comprennent respectivement le réseau 16a et le réseau 16b, ces réseaux étant identiques l'un à l'autre.
Une partie des moyens d'émission de lumière du dispositif se retrouve dans chaque voie et il en est de même pour les moyens de réception de la lumière rétrodiffusée.
Il est à noter que la voie de mesure 20a analyse une partie déterminée du sol 4 avant l'autre voie 20b.
Dans chaque voie 20a ou 20b, les moyens d'émission de lumière comprennent - une source lumineuse 22a ou 22b, qui est une source
laser, - un miroir référencé 24a ou 24b qui reçoit le faisceau
lumineux issu de la source 22a ou 22b et le
réfléchit, - un prisme séparateur 26a ou 26b qui reçoit la lumière
réfléchie par le miroir 24a ou 24b et qui diffuse
cette lumière vers le sol.
laser, - un miroir référencé 24a ou 24b qui reçoit le faisceau
lumineux issu de la source 22a ou 22b et le
réfléchit, - un prisme séparateur 26a ou 26b qui reçoit la lumière
réfléchie par le miroir 24a ou 24b et qui diffuse
cette lumière vers le sol.
Une lentille cylindrique non représentée est placée à la suite de chaque prisme 26a ou 26b, entre celui-ci et le sol, pour créer, suivant l'axe optique Xa ou Xb de la voie correspondante, une tache elliptique sur le sol, cette tache s'étendant suivant la direction F.
Dans chaque voie 20a ou 20b, les moyens de réception de lumière comprennent, en plus du réseau linéaire de photodétecteurs 16a ou 16b, deux lentilles 28a, 30a ou 28b, 30b qui sont destinées à focaliser, sur le réseau correspondant 16a ou 16b, le signal lumineux alors rétrodiffusé par le sol.
L'axe optique des lentilles 28a et 30a (respectivement 28b et 30b) est l'axe Xa (respectivement l'axe Xb).
La lentille 30a (respectivement 30b) est la plus proche du réseau associé 16a (respectivement 16b).
Dans chaque voie 20a ou 20b on trouve également un filtre interférentiel 32a ou 32b placé entre les lentilles 28a, 30a ou 28b, 30b.
Ce filtre interférentiel (car la source laser associée est cohérente), dont la bande passante est centrée sur la longueur d'onde de la source lumineuse associée 22a ou 22b, est destiné à éliminer les rayonnements parasites susceptibles de perturber le traitement du signal rétrodiffusé.
Dans chaque voie 20a ou 20b, on trouve également un diaphragme 34a ou 34b, en forme de fente, placé entre la lentille 30a et le réseau 16a ou entre la lentille 30b et le réseau 16b.
Ce diaphragme permet de travailler à grandissement constant, pour une profondeur de champ variable.
Il sert de filtre spatial et permet de supprimer les zones de flou dues aux débattements du dispositif suivant les axes Xa et Xb (qui sont parallèles l'un à l'autre)
On précise que les réseaux 16a et 16b sont espacés d'une distance fixe l'un par rapport à l'autre.
On précise que les réseaux 16a et 16b sont espacés d'une distance fixe l'un par rapport à l'autre.
On note D1 la distance (fixe) séparant les axes Xa et Xb.
La longueur de la tache lumineuse au sol, comptée suivant le sens de déplacement du véhicule 2, est notée Da pour la voie 20a et Db pour la voie 20b.
Les réseaux linéaires de photodétecteurs peuvent être choisis dans le groupe comprenant les réseaux de photodiodes discrètes, les barrettes de photodiodes, les dispositifs CCD utilisant des phototransistors MOS et les réseaux de photodiodes/MOS linéaires (photodiodes sur registre de transfert).
Différents types de sources lumineuses (monochromatiques ou polychromatiques, à éclairage constant ou à éclairage modulé) sont utilisables (laser ou source infrarouge ou source de lumière blanche par exemple) en fonction des applications.
Dans l'exemple représenté sur la figure 3, les sources 22a et 22b sont des lasers fonctionnant de façon continue.
Dans une variante de réalisation non représentée, on utilise une seule source de lumière et cette lumière est encore envoyée vers le sol par l'intermédiaire des prismes 26a et 26b.
On voit également sur la figure 3 des moyens 36 de transmission ou d'affichage de la vitesse et de la distance parcourue par le véhicule, déterminées par les moyens de traitement 18.
Dans le dispositif de la figure 3, à faible et moyenne vitesses, on corrèle les signaux de deux photodétecteurs parmi les M photodétecteurs d'un même réseau de photodétecteurs, par exemple le réseau 16a.
L'écartement entre ces deux photodétecteurs du réseau 16a est adapté à la vitesse du véhicule.
A partir d'un certain seuil de vitesse, on corrèle les signaux de deux photodétecteurs appartenant respectivement aux réseaux 16a et 16b.
Ceci permet d'avoir une base de corrélation géométriquement variable.
A basse et moyenne vitesses, on peut en outre corréler les signaux issus de deux photodétecteurs parmi les M photodétecteurs de l'autre réseau 16b, ce qui permet de disposer d'une redondance de mesure.
Bien entendu, les moyens électroniques de traitement 18 reçoivent les signaux issus de tous les photodétecteurs des réseaux 16a et 16b et sélectionnent les photodétecteurs souhaités (dont l'espacement varie au cours du temps conformément à la présente invention).
On peut également concevoir un dispositif conforme à l'invention qui n'utilise qu'une seule voie, par exemple la voie 20a, lorsque la dynamique de mesure de vitesse est compatible avec des traitements de corrélation sur un seul réseau linéaire de photodétecteurs.
Inversement, on peut réaliser un autre dispositif conforme à l'invention comprenant, en plus des voies de mesures 20a et 20b, une ou plusieurs autres voies de mesures (non représentées).
Une mesure à très basse vitesse demande - un pas entre photodétecteurs très petit car plus le
pas est petit (et donc plus la taille des
photodétecteurs est petite) plus la distance mesurée
pendant un temps donné est faible, - un temps d'intégration important car le retard de
corrélation, qui est important à faible vitesse, doit
être inférieur au temps d'intégration, et - une fréquence d'échantillonnage faible.
pas est petit (et donc plus la taille des
photodétecteurs est petite) plus la distance mesurée
pendant un temps donné est faible, - un temps d'intégration important car le retard de
corrélation, qui est important à faible vitesse, doit
être inférieur au temps d'intégration, et - une fréquence d'échantillonnage faible.
Une mesure à très grande vitesse demande - une distance importante entre les photodétecteurs, - un faible temps d'intégration, - une taille de photodétecteur importante pour avoir un
bon rendement photométrique, et - une fréquence d'échantillonnage élevée.
bon rendement photométrique, et - une fréquence d'échantillonnage élevée.
Du fait de ces exigences contradictoires, il faut disposer à la fois de photodétecteurs proches et éloignés, d'une fréquence d'échantillonnage variable et d'un compromis en terme de taille de photodétecteurs.
Pour obtenir des photodétecteurs proches et éloignés, on utilise, comme on l'a vu pour la figure 3, un ou deux (voire plus de deux) réseaux linéaires de photodétecteurs, suivant la dynamique de vitesse recherchée.
On dispose ainsi d'une base de corrélation (distance entre photodétecteurs corrélés) variable une corrélation entre deux photodétecteurs d'un même réseau 16a ou 16b permet de mesurer de faibles vitesses entre une valeur minimale Vlmin et une valeur maximale Vlmax, comme on l'a schématiquement représenté sur la figure 4, alors qu'une corrélation entre deux photodétecteurs appartenant respectivement aux deux réseaux 16a et 16b permet de mesurer de grandes vitesses entre une valeur minimale V2min et une valeur maximale V2max.
Pour obtenir une dynamique continue de mesures, il faut bien entendu qu'il y ait un recouvrement entre les intervalles (Vlmin, Vlmax) et (V2min, V2max) et il faut donc que V2min soit inférieur à Vlmax.
Le nombre de photodétecteurs par réseau dépend de la résolution et de la dynamique recherchées pour un fonctionnement à un seul réseau et du seuil de recouvrement des vitesses pour un fonctionnement avec deux réseaux.
On précise que les moyens électroniques de traitement 18 (figure 3) comprennent des moyens (non représentés) destinés à amplifier, filtrer, échantillonner et numériser les signaux analogiques fournis par les photodétecteurs des réseaux linéaires 16a et 16b.
Cette acquisition d'informations, réalisée en parallèle sur les réseaux de photodétecteurs 16a et 16b, est conditionnée en termes de fréquence d'échantillonnage et de sélection des photodétecteurs par la vitesse de déplacement du véhicule 2 (mesurée précédemment ou déterminée de façon prédictive).
On distingue ainsi deux cas - Dans la plage des faibles vitesses allant de Vlmin à
Vlmax (voir la figure 4), les signaux de deux
photodétecteurs parmi M sont acquis pour l'un des
deux réseaux de photodétecteurs (ou pour chacun de
ces deux réseaux lorsqu'on veut faire des mesures
redondantes).
Vlmax (voir la figure 4), les signaux de deux
photodétecteurs parmi M sont acquis pour l'un des
deux réseaux de photodétecteurs (ou pour chacun de
ces deux réseaux lorsqu'on veut faire des mesures
redondantes).
Le critère de choix de ces photodétecteurs est fonction de la vitesse du véhicule.
Ainsi, lorsque cette vitesse augmente, l'acquisition se fait sur des photodétecteurs de plus en plus éloignés l'un de l'autre.
On dispose ainsi d'une base d'intercorrélation dynamique en fonction de la vitesse.
- Dans la plage des hautes vitesses allant de V2min à
V2max (voir la figure 4), l'acquisition se fait pour
deux photodétecteurs appartenant respectivement aux
deux réseaux 16a et 16b.
V2max (voir la figure 4), l'acquisition se fait pour
deux photodétecteurs appartenant respectivement aux
deux réseaux 16a et 16b.
Dans les deux cas et après avoir acquis un nombre suffisant d'échantillons, on procède à un traitement d'intercorrélation pour déterminer le retard entre les signaux issus des photodétecteurs sélectionnés.
De ce retard, on déduit la vitesse du véhicule par rapport au sol et, si on le souhaite, on en déduit, par intégration, la distance parcourue par ce véhicule.
Le traitement d'intercorrélation permet également de déterminer le sens de déplacement du véhicule.
On explique ci-après les algorithmes de traitement des signaux issus des photodétecteurs sélectionnés.
Différents algorithmes de calcul sont utilisables.
On peut faire un calcul en boucle ouverte.
Dans ce cas, les signaux à corréler sont échantillonnés à une fréquence fixe, indépendante de la vitesse.
La fonction de corrélation est calculée pour déterminer le pic de corrélation et donc le retard entre les deux signaux.
La vitesse du véhicule est égale au rapport de la distance des photodétecteurs à ce retard.
Il s'agit d'une méthode lente mais elle permet une détection systématique des pics de corrélation.
Au lieu d'effectuer un calcul en boucle ouverte, on peut effectuer un calcul en boucle fermée.
Il s'agit d'une méthode plus rapide que la précédente, dans laquelle les signaux sont échantillonnées à une fréquence proportionnelle à la vitesse du véhicule.
La fonction de corrélation est calculée dans une fenêtre étroite dont la position et la largeur sont déterminées à partir des mesures précédentes ou par un algorithme de prédiction.
Cet algorithme de prédiction est par exemple réalisé par un filtre de Kalman.
Ce filtre est également utilisé pour corriger les erreurs i
Initialement, on choisit, dans le réseau 16a, deux photodétecteurs adjacents, dont l'espacement est égal au pas des photodétecteurs.
Un cycle est représenté schématiquement sur la figure 5.
Ce cycle commence à un instant TO et s'achève à un instant T3.
Deux instants intermédiaires T1 et T2 du cycle apparaissent également sur la figure 5 (TO < T1 < T2 < T3).
Pendant ce cycle, la mesure de vitesse et de distance parcourue, comprend une période d'acquisition des N échantillons, qui va de TO à T1, et une période de calcul de corrélation, qui va de T1 à
T2.
T2.
Le résultat obtenu à la fin de cette période de calcul correspond à une valeur moyenne de vitesse et à une valeur moyenne de distance pour l'intervalle de temps T1-TO.
Le dispositif présente donc un retard qui est égal au temps de calcul T2-T1.
Ce retard est compensé pendant la période du cycle allant de T2 à T3.
Cette compensation (correction de la vitesse moyenne et de la distance parcourue précédemment obtenues) utilise une prédiction, par exemple par un filtrage de Kalman, qui est capable de donner une estimation de la vitesse et de la distance parcourue à la fin du cycle de calcul, c'est-à-dire au temps T3.
La technique de filtrage de Kalman est de préférence utilisée dans la présente invention plutôt que d'autres techniques de filtrage estimatif ou prédictif, en raison de ses très bonnes propriétés d'estimation et de prédiction pour des signaux aléatoires non-stationnaires.
On précise que l'on utilise la vitesse
V(T3), ainsi obtenue à la fin du cycle, pour déterminer la base de corrélation et la fréquence d'échantillonnage pour le cycle suivant (qui commence à l'instant T3).
V(T3), ainsi obtenue à la fin du cycle, pour déterminer la base de corrélation et la fréquence d'échantillonnage pour le cycle suivant (qui commence à l'instant T3).
Cette base de corrélation et la fréquence d'échantillonnage sont déterminées à l'aide d'une fonction de correspondance préalablement mémorisée dans les moyens électroniques 18.
Cette fonction donne la base de corrélation et la fréquence d'échantillonnage les mieux adaptées pour chaque intervalle de vitesses.
Cette fonction de correspondance est établie de façon à obtenir, pour chaque intervalle de vitesses, un nombre suffisant d'échantillons permettant d'avoir une bonne corrélation.
La figure 6 est une vue schématique et partielle d'une variante de réalisation du dispositif de la figure 3.
Seule la voie de mesure comprenant la source 22a apparaît sur la figure 6.
Dans le cas du dispositif de cette figure 6, un réseau de diffraction 40 est disposé à la suite de chaque source laser 22a ou 22b pour former, à partir du faisceau laser issu de cette source, plusieurs faisceaux lumineux élémentaires 42 contenus dans un plan parallèle à la trajectoire du véhicule 2.
Ces faisceaux élémentaires se réfléchissent sur le miroir 24a ou 24b puis sur le prisme 26a ou 26b en direction du sol 4.
Le dispositif de la figure 6 se caractérise par des faisceaux parallèles qui concentrent, sur le sol 4, la densité lumineuse sur quelques points alignés sur un axe parallèle au sens de déplacement de l'objet 2.
Ce dispositif est, d'une part, insensible aux fluctuations de distance entre lui et le sol 4 et, d'autre part, nécessite une source lumineuse de puissance moins élevée que dans le cas de la figure 3.
Avec ce dispositif, on ne peut bien entendu utiliser, pour le calcul de la vitesse, que les seuls photodétecteurs atteints par les faisceaux élémentaires rétrodiffusés.
La figure 7 illustre schématiquement la possibilité d'utiliser un dispositif 6 conforme à l'invention qui est fixe par rapport au sol 4 et qui est destiné à déterminer la vitesse d'un objet 52 qui se déplace par rapport au sol et qui défile devant le dispositif 6.
Il s'agit par exemple d'une bande de métal ou de papier qui se déplace devant le dispositif 6, suivant la flèche F de la figure 7.
L'objet 52 est supposé apte à rétrodiffuser vers le dispositif 6 la lumière qu'il reçoit de chaque voie de mesure de ce dispositif.
Bien entendu, il faut que le dispositif 6 de la figure 7 soit capable de faire des corrélations pendant le temps de passage de l'objet 52 devant ce dispositif.
Dans un dispositif conforme à l'invention, comme par exemple celui de la figure 3, au lieu d'acquérir des informations de deux photodétecteurs, les moyens électroniques de traitement 18 pourraient acquérir des informations de deux ensembles de photodétecteurs pour faire les corrélations.
Ceci est particulièrement utile pour mesurer de très basses vitesses et/ou de très faibles déplacements.
Il est alors possible de faire des corrélations non plus entre les signaux fournis par deux photodétecteurs mais entre les images successivement fournies par un réseau linéaire complet.
Claims (14)
1. Dispositif de mesure optique de la vitesse relative d'un objet (2, 52) mobile par rapport à une surface (4), suivant une trajectoire donnée, ce dispositif étant fixe par rapport à la surface ou à l'objet, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens (22a, 24a, 26a; 22b, 24b, 26b) d'émission
de lumière en direction de l'objet, lorsque le
dispositif est fixe par rapport à la surface, l'objet
étant alors apte à rétrodiffuser la lumière, ou en
direction de la surface, lorsque le dispositif est
fixe par rapport à l'objet, la surface étant alors
apte à rétrodiffuser la lumière, - des moyens (16a, 28a, 30a, 32a, 34b; 16b, 28b, 30b,
32b, 34b) de réception de la lumière rétrodiffusée,
ces moyens de réception comprenant au moins un réseau
linéaire de photodétecteurs (16a; 16b) qui est
disposé parallèlement à la trajectoire de l'objet et
destiné à recevoir la lumière rétrodiffusée, et - des moyens électroniques (18) de traitement, par
corrélation, des signaux électriques fournis par au
moins deux des photodétecteurs, ces moyens
électroniques de traitement étant prévus pour
déterminer la vitesse de l'objet à des moments
successifs, l'espacement des deux photodétecteurs
étant variable et choisi, pour chaque cycle de
mesure, en fonction de la vitesse de l'objet,
déterminée lors d'un cycle de mesure précédent ou par
une méthode d'approximation.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de réception de la lumière rétrodiffusée comprennent un seul réseau linéaire de photodétecteurs qui est disposé parallèlement à la trajectoire de l'objet (2, 52).
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de réception de lumière rétrodiffusée comprennent au moins deux réseaux linéaires de photodétecteurs (16a; 16b) qui sont alignés, parallèles à la trajectoire de l'objet et espacés d'une distance fixe l'un par rapport à l'autre, les moyens électroniques de traitement (18) étant prévus pour traiter les signaux fournis par au moins deux photodétecteurs de chaque réseau linéaire et faire des traitements d'intercorrélation.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de réception de la lumière rétrodiffusée comprennent au moins deux réseaux linéaires de photodétecteurs (16a; 16b) qui sont alignés, parallèles à la trajectoire de l'objet et espacés d'une distance fixe l'un par rapport à l'autre, les moyens électroniques de traitement (18) étant prévus pour traiter les signaux fournis par au moins deux photodétecteurs appartenant respectivement aux deux réseaux linéaires.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens électroniques de traitement (18) sont en outre prévus pour traiter les signaux fournis par au moins deux photodétecteurs appartenant à l'un des réseaux linéaires (16a; 16b).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens d'émission de lumière comprennent - au moins une source de lumière (22a; 22b), et - au moins un système optique (26a; 26b) apte à former,
à partir de la lumière fournie par la source, un
faisceau lumineux de forme allongée et parallèle à la
trajectoire de l'objet.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens d'émission de lumière comprennent - au moins une source de lumière (22a; 22b), et - au moins un système optique (40) apte à former, à
partir de la lumière fournie par la source, une
pluralité de faisceaux lumineux élémentaires contenus
dans un plan parallèle à la trajectoire de l'objet.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'émission de lumière comprennent un moyen de réflexion optique (24a, 26a; 24b, 26b) apte à orienter chaque faisceau lumineux en direction de l'objet, lorsque le dispositif est fixe par rapport à la surface, ou en direction de la surface, lorsque le dispositif est fixe par rapport à l'objet, de telle sorte que chaque faisceau lumineux soit centré et mis dans un même plan que la normale au réseau linéaire de photodétecteurs associé, et en ce que les moyens de réception de la lumière rétrodiffusée comprennent un moyen optique de focalisation (28a, 30a; 28b, 30b) placé en regard de chaque réseau linéaire de photodétecteurs (16a; 16b), pour focaliser, sur chaque réseau linéaire de photodétecteurs, cette lumière rétrodiffusée.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de réception de la lumière rétrodiffusée comprennent en outre des moyens (32a; 32b) de filtrage en longueur d'onde de la lumière rétrodiffusée pour réduire l'influence de toute lumière parasite dont la longueur d'onde est différente de celle de la lumière fournie par les moyens d'émission.
10. Dispositif selon lune quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de réception de la lumière rétrodiffusée comprennent en outre, devant chaque réseau linéaire de photodétecteurs, un moyen (34a; 34b) apte à filtrer spatialement cette lumière rétrodiffusée.
11. Dispositif selon lune quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les moyens électroniques de traitement (18) sont prévus pour échantillonner les signaux fournis par les photodétecteurs à une fréquence constante, indépendante de la vitesse de l'objet (2, 52).
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les moyens électroniques de traitement (18) sont prévus pour échantillonner les signaux fournis par les photodétecteurs à une fréquence variable, adaptée à la vitesse de l'objet (2, 52), déterminée lors d'une mesure précédente ou par une méthode d'approximation.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la méthode d'approximation est un algorithme prédictif.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'algorithme prédictif est un filtrage de Kalman.
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| FR2749086B1 FR2749086B1 (fr) | 1998-08-07 |
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