FR2823842A1 - Procede de mesure pour determiner la position et l'orientation d'un ensemble mobile, et dispositif pour mettre en oeuvre ledit procede - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de mesure pour déterminer la position et l'orientation, dans un référentiel de base (R), d'un ensemble mobile (2).Selon l'invention ce procédé comprend les étapes de prendre une image (30) d'un repère optique (19, 19) lié à l'ensemble mobile (2), au moyen d'une première caméra (6) ayant un axe focal (F) de direction connue dans le référentiel (R), de prendre une image (40) d'un repère optique (9, 9) lié à la première caméra (6), au moyen d'une seconde caméra (17) liée à l'ensemble mobile (2), de mesurer une distance entre un point (12) lié à la première caméra (6) et un point (18) lié à la seconde caméra (17), et de déterminer par calcul la position et l'orientation de l'ensemble mobile (2) à partir des images relevées (30, 40) et de la distance (1) mesurée. L'invention a aussi pour objet un dispositif pour mettre en oeuvre ledit procédé.
Description
capacité entre spire, dans le premier bobinage.
L' invention concerne un procédé de mesure pour dé terminer la position et l' orientation d'un ensemble mobile, ainsi qu'un dispositif pour mettre en oeuvre ledit procédé L' invention a not amment trait aux dispositifs uti lisés en carrosserie pour mesurer des déformations ou véri fier le bon positionnement d' ensembles de carrosserie sur
un châssis.
Dans ce domaine, on connaît des dispositifs de me sure du type comportant un base à laquelle est relié un bras articulé, le bras ayant un support terminal portant
une bille de palpage.
Chaque articulation du bras est équipée d'un co deur, de sorte qu'il suffit de collecter les mesures issues de chaque codeur pour déterminer l' orientation du support terminal et la position de la bille de palpage dans un re
père lié à la base.
Ce type de dispositi-f est transportable, mais se révèle parfois lourd et encombrant, le bras même replié
saillant largement de la base.
Par ailleurs, le bras déployé est fragile, et peut être tordu lors d'une mauvaise manipulation, ce qui fausse complètement la détermination de l' orientation du support terminal et de la position de la bille de palpage et rend
inutilisable le dispositif.
Enfin, la présence de nombreuses pièces mécaniques et d' articulations précises rend ce type de dispositif oné
reux à produire.
L' invention a pour objet un procédé de mesure et un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé ne présentant
pas les inconvénients précités.
A cet effet, on propose, selon l' invention un pro cédé de mesure, dans un référentiel de base donné, de la position et de l' orientation d'un ensemble mobile, compre nant les étapes de: - prendre une image d'un repère optique lié à l'en semble mobile, au moyen d'une première caméra ayant un axe focal de direction connue dans le référentiel de base; prendre une image d'un repère optique lié à la première caméra, au moyen d'une seconde caméra liée à l'en semble mobile; - mesurer une distance entre un point lié à la pre mière caméra et un point lié à la seconde caméra; - déterminer par calcul la position et l'orienta tion de l' ensemble mobile dans le référentiel de base à
partir des images relevées et de la distance mesurée.
Les images des repères optiques permettent de dé terminer les rotations relatives des deux repères optiques, ainsi que le décalage relatif des deux groupes optiques dans un plan normal à l'axe focal de la première caméra. La mesure de distance permet quant à elle de déterminer la
distance entre les deux repères optiques.
On connaît ainsi la position et l' orientation rela tives du deuxième repère optique par rapport au premier re
père optique.
Or la position du premier repère optique est liée à la direction de l'axe focal de la première caméra. On en déduit donc la position et l' orientation de l'ensemble mo
bile dans le référentiel de base donné.
Pour un ensemble mobile équipé d'une bille de pal page, on enrichit avantageusement le procédé précédent de l'étape supplémentaire consistant à déterminer la position du centre de la bille de palpage dans le rétérentiel de base. Touj ours selon l' invention, on propose un disposi tif de mesure pour mettre en oeuvre le procédé précédent, qui comprend un premier ensemble portant la première caméra et le repère optique associé, ainsi qu'un second ensemble mobile par rapport au premier ensemble, et portant la se conde caméra et le repère optique associé, ledit dispositif comprenant en outre un moyen de mesure de la distance entre un point du premier ensemble et un point du deuxTème ensem ble, et un calculateur interfacé avec les deux caméras et le moyen de mesure de la distance, ledit calculateur étant agencé pour effectuer le calcul de la position et de l' orientation de l' ensemble mobile dans le référentiel de base. De préférence, le second ensemble mobile est éga lement équipé d'une bille de palpage, et le calculateur est agencé pour déterminer la position du centre de la bille
dans le référentiel de base.
Avantageusement alors, le second ensemble comporte un support formant poignée, sur lequel sont rapportés la seconde caméra et le repère optique associé, et la bille de palpage. Ainsi, le second ensemble peut être facilement dé
placé par l'utilisateur.
Avantageusement encore, le second ensemble est rap 1S portable de façon détachable sur le premier ensemble. Le transport du dispositif en est alors facilité. De même, le calculateur est avantageusement porté par le premier ensem ble. De prétérence, le premier ensemble comporte un pié tement d'appui au sol, ainsi qu'un berceau monté mobile sur le piétement et portant la première caméra et le repère op
tique associé.
Avantageusement alors, le berceau est lié au piéte
ment par une monture à la Cardan.
De préférence encore, le moyen de mesure comporte un enrouleur rapporté sur le premier ensemble, l'enrouleur accueillant un fil ayant une extrémité attachée à un point du second ensemble. Avantageusement alors, l'enrouleur est
rapporté sur le berceau.
De préférence enfin, le dispositif est équipé d'un moyen de signalisation pour indiquer si, de manière simul tanée, le repère optique associé à la seconde caméra est dans le champ de la première caméra et le repère optique associé à la première caméra est dans le champ de la se
conde caméra.
D'autres caractéristiques et avantages de l' invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la
description qui suit d'un mode de réalisation particulier
non limitatif de l' invention. Il sera fait rétérence aux dessins annexés et aux figures parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue en perspective d'un dis positif de mesure selon l' invention, mettant en oeuvre le procédé de l' invention; - la figure 2 est une vue schématique d' images pri ses par les deux caméras du dispositif illustré à la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective d'un dis positif de mesure selon une variante de réalisation de
l' invention.
En référence à la figure 1, un dispositif de mesure selon l' invention comporte un premier ensemble ou base 1,
et un second ensemble ou mobile 2.
La base 1 comporte un piétement 3 d'appui au sol sur lequel une fourche 4 est montée à rotation selon un axe Z vertical. Un codeur non visible ici permet de mesurer la rotation de la fourche 4 autour de l'axe Z en prenant pour origine un axe X perpendiculaire à l'axe Z et d'orientation
fixe par rapport au piétement 3.
Un axe Y perpendiculaire à la fois à l'axe X et à l'axe Z permet de définir un référentiel R dit référentiel
de base.
La fourche 4 porte un berceau 5 articulé sur la fourche selon un axe U contenu dans un plan normal à l'axe Z. La rotation du berceau autour de l'axe U est mesurce à
l' aide d'un codeur associé 7.
Le berceau 5 porte en outre une première caméra 6 définissant un axe focal F. La mesure des rotations autour de l'axe Z et autour de l'axe U du berceau 5 permettent à un calculateur 8 interfacé avec les deux codeurs précités de connaître à tout instant la direction de l'axe focal F de la première caméra 6 dans le référentiel R. par de sim
ples calculs trigonométriques.
Le berceau 5 porte également un enrouleur 10 ac cuoillant un fil 11 et exergant sur ce dernier une tension permanente. Le fil 11 passe par un réticule 12 définissant
un point de référence du berceau 5.
Le mobile 2 comporte quant à lui un support 15 muni d'une poignée 16 et portant ici une bille de palpage 14. Le support 15 est équipé d'une seconde caméra 17 d'axe focal
F', et comporte une fixation 18 de l'extrémité du fil 11.
Grâce à un codeur associé à l'enrouleur 10 et interfacé avec le calculateur 8, la longueur de fil dévidé est connue à tout instant, ce qui permet de déterminer la distance no tée (1) entre le réticule 12 de la base 1 et la fixation 18
du mobile 2.
Des fils de liaison 24 entre la base 1, et le cal culateur 8, et entre le mobile 2 et le calculateur 8, sont prévus d'une part pour assurer l'alimentation électrique des différents composants portés par la base 1 et le mobile 2, et d'autre part pour assurer l 'acquisition des informa
tions utiles venant des codeurs ou des caméras.
Le berceau 5 comporte également deux diodes 9, tan dis que le support 15 comporte deux diodes 19. Les diodes sont ici du type LED, mais on pourra en variante utiliser
tout autre type d'émetteur lumineux.
Le fonctionnement du dispositif présentement illus
tré est comme expliqué ci-après.
L'utilisateur tient le mobile 2 par la poignée 16 et déplace celui-ci de façon à amener la bille de palpage 14 à un endroit déterminé de l'espace, par exemple un point
de contrôle du châssis d'un véhicule automobile.
La tension du fil 11 entre la fixation 18 et le ré ticule 12 permet l'entraînement du berceau 5 lors du mouve ment du mobile 2 de façon que l'axe focal F pointe grossiè rement dans la direction du mobile 2. Le fil 11 reste ainsi peu éloigné d'une parallèle à l'axe focal F passant par le réticule 12. Pour faciliter les mouvements du berccau 5 en traîné par le fil 11, le berceau 5 est concu pour être lé ger et équilibré autour de l'axe U. Lorsque le mobile 2 est orienté par rapport à la base 1 de telle façon que, simultanément, les diodes 19 du mobile 2 sont dans le champ de vision de la première caméra 6 liée à la base 1, et les diodes 9 de la base 1 sont dans le champ de vision de la seconde caméra 17 liée au mobile 2, une lampe verte 20 portée par le support 15 du mobile 2
est allumée. Sinon, une lampe rouge 21 est allumée.
Lorsque la lampe verte 20 est allumée, l'utilisateur peut appuyer à tout instant sur un bouton 22 sur la poignée 16 pour déclencher l'acquisition par le cal culateur 8 à la fois d'une image prise par la première ca méra 6, d'une image prise par la seconde caméra 17, et d'une me sure de la distance entre le réticule 12 et la fixation 18 au moyen de l' indication du codeur associé à
l'enrouleur 10.
Le calculateur 8 est agencé pour déterminer la po sition du centre de la bille de palpage 14 au moyen de ces deux images relevées et de la mesure de distance, selon une procédure qui sera détaillée ci-dessous en relation avec la
figure 2.
Le but du calcul est en fait non seulement de dé terminer dans le référentiel R la position du centre de la bille de palpage 14, mais aussi les positions des diodes 19 du mobile 2 ainsi que la direction de l'axe focal F' de la seconde caméra 17, ce qui permet de déterminer dans le ré férentiel R la position et l' orientation d'un rétérentiel R' lié au mobile 2, et défini sur la figure 1 par les axes
X'Y'Z' (l'axe X' étant confondu avec l'axe focal F').
Le calaulateur 8 détermine à cet effet la position de chaque diode 9 ou 19 dans chaque image, en repérant dans ces images le centre de la tâche lumineuse associce à cha
que diode.
Sur la figure 2, le carré 30 symbolise l' image prise par la première caméra 6. L' intersection des deux traits de la mire 31 représente la trace de l'axe focal F. L' image comporte deux points 32 qui représentent les cen tres des diodes 19 telles que vues par la première caméra 6. De la même facon, le carré 40 symbolise quant à lui l' image prise par la seconde caméra 17. L' intersection des deux traits de la mire 41 représente la trace de l'axe focal F'. Les deux points 42 représentent alors le centre
des diodes 9 telles que vues par la seconde caméra 6.
Par une procédure itérative, on détermine, dans le référentiel R. la position d'un point de référence du mo bile, par exemple le point 34 intersection d'une ligne 33 joignant les points 32 représentatifs des centres des dio
des 19 et de l'axe focal F' de la seconde caméra 17.
Puis on fait tourner autour du point 34 un axe fo cal F' et une ligne 33 virtuelle jusqu'à ce que les posi tions calculées des centres des diodes dans chaque image
coïncide avec les images 30 et 40.
On détermine ainsi la position et l' orientation (c'est-à-dire les cosinus directeurs) dans le référentiel R
du repère R' lié au mobile 2.
Les caméras 6 et 17 permettent une discrimination fine des décalages dans un plan perpendiculaire à leur axe focal, ainsi que des rotations autour de l' axe focal cor respondant. Les caméras sont en revanche moins adaptées pour apprécier des distances selon l'axe focal, ainsi que
des rotations autour d' axes perpendiculaires à l'axe focal.
Pour compenser cette première faiblesse des camé ras, on utilise la mesure de distance fournie par le codeur
associé à l'enrouleur 10.
Pour compenser la seconde faiblesse, la présence de la seconde caméra permet une discrimination fine de la po sition angulaire du mobile, en transformant toute rotation du mobile 2 en un décalage sur l' image 40 des centres des
diodes 9.
Par exemple, si lutilisateur est assez habile pour provoquer une rotation du mobile 2 autour d'une ligne joi
gnant les centres de diodes 19, cette rotation serait indé-
celable à l' aide de la seule première caméra 6. Par contre, cette rotation provoque immanquablement un décalage sur l' image 40 des centres des diodes 9, ce qui permet de repé rer ladite rotation. Une fois déterminées la position et l' orientation du référentiel R' du mobile 2 dans le référentiel R. il est
aisé d'en déduire la position du centre de la bille de pal-
page 14 dans ledit référentiel R. puisque la position de la
bille est parfaitement connue dans le référentiel R'.
La figure 3 illustre un autre mode de réalisation du dispositif de mesure comprenant les mêmes éléments que ceux décrits précédemment, mais ces éléments étant agencés autrement. La base 1 réalisée comme un boîtier est très
compacte et transportable facilement. Le berceau 5 est mon-
té sur un mât 25 repliable pour être intégré dans une ré-
servation associée de la base 1. L'extrémité du fil 11 se
termine par une bille 26 qui est insérable de manière dé-
montable dans un logement sphérique 27 du mobile 2, le cen tre de la bille 26 dans le logement associé 27 étant alors
le point de référence du mobile 2 pour la mesure de dis-
tance. La base 1 possède en outre un emplacement 28 pour
recevoir le mobile 2 de façon détachable, et ainsi facili-
ter le transport et le stockage du dispositif. Une mise en
veille des composants électriques du dispositif est automa-
tiquement déclenchée lorsque le mobile 2 est rapporté sur
la base 1.
Le calculateur 8 est alors intégré dans la base, celle-ci présentant une interface 29 ici du type liaison série RS2323 permettant l'envoi des coordonnées du centre
de la bille de palpage 14 vers un ordinateur extérieur.
Le mobile 2 a en outre la taille d'un téléphone portable, et il est équipé d'un petit écran repliable à cristaux liquides 23 pour afficher en permanence les coor données du centre de la bille de palpage 14 et les valeurs des cosinus directeurs d'un trièdre lié au mobile, dont l'origine est de préférence confondue avec le centre du lo gement 27, exprimés soit dans le référentiel R associé à la base 1, soit dans tout autre référentiel que l'utilisateur aura au préalable repéré, par exemple en palpant avec la bille de palpage des plans de rétérence du nouveau référen tiel. La bille de palpage 14 est montée sur une tige téle scopique. Le mobile 2 communique avec la base 1 par une
liaison hertzienne.
L' invention n'est pas limitée au mode particulier de réalisation qui vient d'être décrit, mais bien au con traire entend couvrir toute variante qui entre dans le ca
dre de l' invention tel que défini par les revendications.
Bien que l'on ait indiqué que le moyen de mesure de la distance entre la base et le mobile comprend un fil ac cueilli par un enrouleur muni d'un codeur, on pourra envi sager tout autre moyen de mesure de la distance, comme par
exemple une triangulation laser.
Bien que l'on ait illustré le mobile comme sup port d'une bille de palpage, le mobile pourra être équipé, en plus ou en remplacement, d'autres types de senseurs, comme une caméra ou une fourche à deux lasers. Dans ce cas, c'est principalement à l' orientation du référentiel lié au mobile que l'on s'intéresse, et qui est donnce par le cal culateur. Bien que l'on ait illustré les repères optiques comme comportant chacun deux diodes, on pourra utiliser des repères optiques composés d'un motif perceptible par une caméra et de forme adaptée à permettre son repérage dans
une image prise par ladite caméra.
Bien que l'on ait illustré des fils électriques re liant la base et le mobile au calculateur, on pourra imagi ner que le mobile possède sa propre source d'alimentation électrique, comme un accumulateur ou une batterie, et com munique avec le caloulateur au moyen d'une liaison hert zienne. Bien que l'on ait indiqué que le calcul de la posi tion du centre de la bille de palpage 14 était déclenché à la suite de l'appui par l'utilisateur sur un bouton d' acquisition 22, on peut imaginer une procédure de calcul en temps réel, qui détermine la position courante dudit centre au fur et à mesure des mouvement du mobile 2, l'appui sur le bouton s'acquisition 22 ne provoquant que la mise en mémoire de la position courante du centre de la
bille de palpage.
Bien que l'on ait enfin indiqué que le berccau 5
était lié au piétement 3 par une liaison du type à la Car-
dan, on pourra imaginer tout type de liaison cinématique
associée à des capteurs permettant de repérer à tout ins-
tant la position d'un repère lié à la caméra 6 par rapport au référentiel R. i
Claims (12)
1. Procédé de mesure pour déterminer, dans un réfé rentiel de base (R) donné, la position et l' orientation d'un ensemble mobile (2), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: - prendre une image (30) d'un repère optique (19,19) lié à l' ensemble mobile (2), au moyen d'une pre mière caméra (6) ayant un axe focal (F) de direction connue dans le référentiel de base (R); - prendre une image (40) d'un repère optique (9, 9) lié à la première caméra (6), au moyen d'une seconde camé ra (17) liée à l' ensemble mobile (2); - mesurer une distance (1) entre un point (12) lié à la première caméra (6) et un point (18) lié à la seconde caméra (17) ; et - déterminer par calcul la position et l'orienta tion de l' ensemble mobile (2) dans le référentiel de base à partir des images relevées (30, 40) et de la distance (l) mesurée.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape supplémentaire de déterminer la position dans le référentiel (R) du centre d'une bille de
palpage (14) associée à l' ensemble mobile (2).
3. Dispositif de mesure pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif comprend un premier ensemble (1) portant la pre mière caméra (6) et le repère optique (9,9) associé, ainsi qu'un second ensemble (2) portant la seconde caméra (17) et le repère optique (19,19) associé, ledit dispositif compre nant en outre un moyen de mesure (10,11) de la distance en tre un point (12) du premier ensemble (1) et un point (18) du deuxième ensemble (2), et un calculateur (8) interfacé avec les deux caméras (6,17) et le moyen de mesure de la distance (10,11), ledit caloulateur (8) étant agencé pour effectuer le calcul de la position et de l' orientation de
l' ensemble mobile (2) dans le référentiel de base (R).
4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second ensemble mobile (2) est également équipé d'une bille de palpage (14), et le calcu lateur (8) est agencé pour déterminer la position du centre
de la bille (14) dans le référentiel de base.
5. Dispositif de mesure selon les revendications 3
et 4, caractérisé en ce que le second ensemble (2) comporte un support (15,16) formant poignce, sur lequel sont rappor tés la seconde caméra (17) et le repère optique (19,19) as socié, ainsi que la bille de palpage (14)
6. Dispositif de mesure selon l'une des revendica tions 3 à 5, caractérisé en ce que le second ensemble (2) est rapportable de facon détachable sur le premier ensemble (1).
7. Dispositif de mesure selon l'une des revendica tions 3 à 6, caractérisé en ce que le calculateur (8) est
porté par le premier ensemble (1).
8. Dispositif de mesure selon l'une des revendica tions 3 à 7, caractérisé en ce que le premier ensemble (1) comporte un piétement d'appui au sol (3), ainsi qu'un ber ceau (5) monté mobile sur le piétement (3) et portant la
première caméra (6) et le repère optique (9,9) associé.
9. Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que le berceau (5) est lié au piétement
(3) par une monture à la Cardan (4).
10. Dispositif de mesure selon l'une des revendica tions 3 à 9, caractérisé en ce que le moyen de mesure com porte un enrouleur (10) rapporté sur le premier ensemble (1), l'enrouleur (10) accueillant un fil (11) ayant une ex
trémité attachée à un point (18) du second ensemble (2).
11. Dispositif selon la revendication 8 et la re vendication 10, caractérisé en ce que l'enrouleur (10) est
rapporté sur le berceau (5).
12. Dispositif selon l'une des revendications 3 à
11, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un moyen de signa lisation (20, 21) pour indiquer si, de manière simultanée, le repère optique (19,19) associé à la seconde caméra (17) est dans le champ de la première caméra (6) et le repère optique (9,9) associé à la première caméra (6) est dans le
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