FR2979710A1 - Dispositif et procede acoustique de positionnement - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif acoustique de positionnement comprenant des moyens d'émission acoustique (B1) et des moyens de réception acoustique (B2), le dispositif étant configuré pour émettre une séquence d'au moins un premier signal acoustique S1 et un second signal acoustique S2, séparés par un intervalle temporel T, et pour recevoir et mesurer la phase d'arrivée φ de S1 et la phase d'arrivée φ de S2. Selon l'invention, le dispositif comprend des moyens de mesure d'un déplacement relatif entre les moyens d'émission acoustique (B1) et les moyens de réception acoustique (B2) comprenant des moyens de détermination d'une valeur de la différence approchée (R2-R1) entre, d'une part la distance R1 parcourue par le premier signal acoustique S1 entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, et d'autre part la distance R2 parcourue par le second signal acoustique S2 entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, et des moyens de calcul du déplacement relatif (R2-R1) entre lesdits moyens d'émission acoustique et lesdits moyens de réception acoustique en fonction de la différence approchée (R2-R1) , de l'intervalle temporel T et des phases d'arrivée φ , φ respectivement du premier signal acoustique S1 et du second signal acoustique S2.

Description

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de positionnement d'un mobile par rapport à une ou plusieurs références. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif acoustique de mesure de déplacement relatif d'un mobile par rapport à une ou plusieurs références, cette mesure étant basée sur la transmission de signaux acoustiques entre le mobile et la ou les références. L'invention permet avantageusement des mesures précises et dont la précision est indépendante de la portée du dispositif acoustique d'émission/réception. On connaît différents dispositifs et procédés de positionnement basés sur l'utilisation des ondes acoustiques. De nombreux systèmes de mesure de déplacement relatif entre un mobile et une ou plusieurs références par ondes acoustiques existent. Ainsi une méthode consiste à mesurer le temps de trajet d'une onde acoustique entre un émetteur et un récepteur en réalisant un filtre adapté sur le récepteur et en déterminant grâce à ce filtre adapté l'instant d'arrivée de l'onde acoustique par recherche du maximum de corrélation. Connaissant l'instant d'émission du signal et la vitesse du son dans le milieu, la détermination de l'instant d'arrivée permet de déterminer la distance entre l'émetteur et le récepteur. La précision de la mesure de distance est de l'ordre de C/(B*I(RSB)), où B est la bande passante du signal, C la vitesse du son dans le milieu et RSB le rapport signal sur bruit. Cette méthodologie est utilisée par exemple dans les systèmes de positionnement sous-marin dits « base-longue » (voir par exemple « Acoustic Positioning Systems, a practical overview of current systems », Keith Vickery, DYNAMIC POSITIONING CONFERENCE October 13 - 14, 1998 »). Néanmoins comme on le voit dans la formule de précision de la mesure de distance, cette méthode impose, pour obtenir les meilleures précisions, d'utiliser des ondes de large bande (et donc de haute fréquence) et d'avoir un bon rapport signal bruit. Par exemple, l'utilisation de cette méthode dans l'eau (C=1500 m/s), avec un signal de fréquence centrale 10 kHz, de bande passante 1 kHz et un (très bon) rapport signal sur bruit de 10dB, conduit à une imprécision de 5 cm insuffisante pour de nombreuses applications. Cette méthode est donc limitée en précision à une fréquence donnée. Cependant, l'augmentation de la précision permise par une augmentation de la fréquence conduit à une diminution de la portée (les ondes haute fréquence se propageant moins bien que les ondes basse fréquence). Une autre méthode consiste à déterminer le décalage de fréquence d'un signal acoustique entre un émetteur et un récepteur. Ce décalage, appelé décalage doppler, est proportionnel à la fréquence F du signal utilisé : DOPPLER=(V/C)F, où V est la vitesse que l'on cherche à déterminer et C la vitesse du son dans le milieu. Le décalage doppler étant proportionnel à la fréquence F du signal acoustique, il est nécessaire d'utiliser des signaux de fréquence élevée pour améliorer la précision du dispositif. Par exemple, l'utilisation de cette méthode dans l'eau (C=1500 m/s) avec un signal à 10 kHz et une capacité de discrimination des fréquences de 10 Hz conduit à une imprécision de détermination de la vitesse de 0.15 m/s ce qui est incompatible avec la majorité des applications. La nécessité d'utiliser de hautes fréquences conduit à une réduction de la portée et limite donc l'utilisation de cette méthodologie. Une autre méthode consiste à mesurer sur une antenne multirécepteurs les différences de phase d'un même signal reçu sur les différents récepteurs et à en déduire la direction du signal incident. Cette méthodologie est utilisée par exemple dans les systèmes de positionnement sous-marin dits « base ultra-courte » (voir par exemple « Acoustic Positioning Systems, a practical overview of current systems », Keith Vickery, DYNAMIC POSITIONING CONFERENCE October 13 - 14, 1998 »). Néanmoins et bien que la détermination des différences de phase d'un tel dispositif soit précise typiquement à mieux que 1/30 de radian, cette méthode nécessite une antenne de réception non seulement complexe car multi-récepteurs, mais aussi de grande taille (typiquement une longueur d'onde). Par exemple l'utilisation de cette méthode dans l'eau (C=1500 m/s) avec un signal à 10 kHz (de longueur d'onde X, égale à 0.15m), une antenne de 0.15m et une précision de mesure des différences de phase de 1/30 de radian, conduit à une incertitude sur la direction du signal incident de 2 degrés. Projeté par exemple à une distance de 600 m, cette incertitude angulaire conduit à une incertitude de positionnement de la source de l'onde reçue de plus de 20 m. Cette méthode est donc limitée en précision à grande portée, sauf à supposer qu'on utilise une antenne de réception de taille rédhibitoire pour la majorité des applications pratiques.

Une autre méthode, appelée log à corrélation, consiste à utiliser une antenne comprenant un émetteur et au moins trois récepteurs acoustiques. Le principe de la méthode log à corrélation consiste à émettre un signal acoustique, qui au cours de sa propagation se réfléchit sur les interfaces du milieu, puis à corréler les signaux de retour reçus sur les différents récepteurs acoustiques les uns par rapport aux autres afin d'en déduire la vitesse de l'antenne par rapport aux interfaces réfléchissantes (voir par exemple « Simulation of the correlation velocity log using a computer based acoustic model », Alison Keary, Martyn Hill, Paul White, Henry Robinson, 11th lo International Symposium Unmanned Untethered Submersible Technology, Durham, USA, Aug 1999. , 446-454). Cette méthode permet de déterminer la vitesse de l'antenne de réception multi-récepteurs par rapport au milieu. Cependant, cette méthode nécessite, comme la méthode de base ultra-courte, l'utilisation d'une antenne multi-récepteurs et donc à la fois complexe et de 15 grande taille, ce qui limite son utilisation pratique. Une autre méthode, appelée log Doppler large bande, consiste à utiliser une antenne comprenant plusieurs émetteurs-récepteurs acoustiques (un par direction observée). Le principe du log Doppler large bande consiste, pour chaque couple émetteur-récepteur, à émettre successivement deux ondes 20 acoustiques, qui au cours de leur propagation se réfléchissent sur les interfaces du milieu, puis à mesurer sur le récepteur correspondant les différences de phase des deux signaux de retour afin d'en déduire la vitesse (voir par exemple « Performance of a Broad-Band Acoustic Doppler Current Profiler », Blair H. Brumley, Ramon G. Cabrera, Kent L. Deines, and Eugene 25 A. Terray, IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING, VOL. 16, NO. 4, OCTOBER 1991 et « Accuracy of a Pulse-Coherent Acoustic Doppler Profiler in a Wave-Dominated Flow », JESSICA R. LACY, CHRISTOPHER R. SHERWOOD, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, vol. 21, 2004, pp. 1448-1461). Chaque émetteur-récepteur permet de déterminer la vitesse 30 de l'antenne dans la direction de l'onde émise. Il est donc nécessaire de disposer d'une antenne ayant au moins trois émetteurs-récepteurs afin de déterminer entièrement la vitesse du porteur de l'antenne. De plus, afin d'obtenir une vitesse précise, il est nécessaire que l'onde émise ait une ouverture faible, typiquement de quelques degrés, ce qui implique que les 35 transducteurs acoustiques soient de grande taille par rapport à la longueur d'onde émise. Par exemple, pour utiliser cette méthode avec des ondes de fréquence 100 kHz, il est nécessaire typiquement, pour obtenir des faisceaux de 3 degrés, d'utiliser des transducteurs de 20 cm de diamètre. Cette méthode est donc limitée en pratique à des ondes de fréquence élevée (typiquement à partir de quelques centaines de kilo-hertz), afin de ne pas avoir des tailles d'antennes rédhibitoires. Les ondes de haute fréquence s'atténuant rapidement dans le milieu, cette méthode, outre qu'elle impose l'utilisation d'antennes complexes, est, en pratique, fortement limitée en portée. On peut en outre noter que les méthodes de type log acoustique, telles lo que la méthode de log à corrélation et la méthode de log doppler large bande citées ci-dessus, ne permettent pas de positionner un mobile de façon passive et discrète, c'est-à-dire de telle manière que le mobile n'émette pas de signaux acoustiques. Chacune de ces différentes méthodes acoustiques est utilisée 15 couramment dans de nombreuses applications qui vont de la métrologie à la navigation de véhicules sous-marins en passant par la robotique. Par contre, comme on l'a vu ci-dessus, ces différentes méthodes souffrent de limitations pratiques en termes de performance ou d'usage. Les méthodes citées ont de nombreuses variantes et sont souvent utilisées de façon combinée. La 20 combinaison de ces méthodes entre elles ou avec d'autres moyens auxiliaires (voir par exemple la référence : « The AUV positioning using ranges from one transponder LBL », Alexander Ph. Scherbatyuk, OCEAN 1995) permet de réduire une partie des limitations. Néanmoins, par nature ces diverses combinaisons ne permettent pas de résoudre les limitations fondamentales, 25 en particulier de précision, de portée, de complexité et de taille d'antenne, de non-discrétion, inhérentes à chacune de ces méthodes de mesure acoustique. Il existe donc un besoin pour un dispositif acoustique de positionnement de petite taille et de coût réduit permettant d'obtenir de très bonnes performances à grande portée. En particulier, il existe un besoin pour un tel 30 dispositif dont la performance soit fondamentalement indépendante de la portée. En particulier, il existe un besoin pour un tel dispositif ne nécessitant pas d'antenne de grande taille sur la référence ou sur le mobile. En particulier, il existe un besoin pour un tel dispositif permettant de positionner un mobile de façon passive, c'est-à-dire sans qu'il soit besoin que le mobile émette des 35 ondes acoustiques.

Un des objectifs de l'invention est de fournir un dispositif et un procédé de mesure de la position relative d'un objet par rapport à une ou plusieurs références basé sur la propagation d'ondes acoustiques entre les différents éléments et permettant d'obtenir une précision de positionnement d'une fraction de la longueur d'onde acoustique utilisée et indépendante de la distance, tout en utilisant des éléments de petite taille et de bas coût. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques antérieures et concerne plus particulièrement un dispositif acoustique de positionnement comprenant des moyens d'émission acoustique et des moyens de réception acoustique, les moyens d'émission acoustique étant configurés pour émettre une séquence d'au moins un premier signal acoustique S1 et un second signal acoustique S2 de même fréquence acoustique centrale f, séparés par un intervalle temporel T déterminé, lesdits moyens de réception acoustique étant aptes à recevoir et à mesurer la phase d'arrivée 91 du premier signal acoustique S1 sur lesdits moyens de réception acoustique et la phase d'arrivée 92 du second signal acoustique S2 sur lesdits moyens de réception acoustique, lesdites phases d'arrivée 91 , 92 étant mesurées par rapport à un oscillateur de référence. Selon l'invention, ledit dispositif comprend des moyens de mesure du déplacement radial relatif entre lesdits moyens d'émission acoustique et lesdits moyens de réception acoustique, lesdits moyens de mesure comprenant : - des moyens auxiliaires d'évaluation, à mieux que une demi-longueur d'onde, de la différence approchée (R2-R1)Aux entre, d'une part la distance R1 parcourue par le premier signal acoustique S1 entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, et d'autre part la distance R2 parcourue par le second signal acoustique S2 entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, - et des moyens de calcul du déplacement relatif (R2-R1) entre lesdits moyens d'émission acoustique et lesdits moyens de réception acoustique en fonction de la différence approchée (R2-R1)Aux, de l'intervalle temporel T et des phases d'arrivée (p 1 , 92 respectivement du premier signal acoustique S1 et du second signal acoustique S2.

Selon un mode de réalisation préféré du dispositif acoustique de positionnement de l'invention, la fréquence acoustique centrale des signaux acoustiques 51 et S2 étant égale à f, les moyens de calcul sont configurés pour déterminer précisément le déplacement relatif (R2-R1) selon les formules suivantes : Détermination de l'unique entier K tel que : -- Ç-(fT-[fT])+ K soit dans l'intervalle 27r 27r (R2 -Ri)Aux 1 (R2 -Ri)Aux± 1 2 2' 2 2 - Calcul de : R2- R1= Âxç '2'- Âxçl+ K2- 2x( fr -[ff]) 27r 27r (II) où X, représente la longueur d'onde à la fréquence acoustique f et if-11 représente la partie entière du produit de la fréquence acoustique f par l'intervalle temporel T, c'est-à-dire le plus grand nombre entier strictement inférieur àfr.

Selon différents aspects particuliers du dispositif acoustique de positionnement de l'invention : les moyens d'émission acoustique comprennent un émetteur acoustique et les moyens de réception acoustique comprennent un récepteur acoustique et le dispositif permet de mesurer précisément le déplacement radial relatif entre l'émetteur acoustique et le récepteur acoustique pendant un intervalle de temps T ; les moyens d'émission acoustique comprennent au moins deux émetteurs acoustiques et les moyens de réception acoustique comprennent un récepteur acoustique et le dispositif permet de mesurer le déplacement radial relatif respectivement entre chacun des au moins deux émetteurs acoustiques et le récepteur acoustique ; les moyens d'émission acoustique comprennent un émetteur acoustique et les moyens de réception acoustique comprennent au moins deux récepteurs acoustiques et le dispositif permet de mesurer 30 le déplacement radial relatif respectivement entre l'émetteur acoustique et chacun des au moins deux récepteurs acoustiques. Selon d'autres aspects particuliers de l'invention, les moyens auxiliaires d'évaluation de la différence approchée (R2-R1)Aux comprennent un ou plusieurs des moyens suivants : - un moyen de détermination de la vitesse VAUX du déplacement relatif entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, basé sur l'estimation du décalage doppler des ondes acoustiques transmises entre les moyens d'émission acoustique et lo les moyens de réception acoustique : (R2 - R1) Aux = VAuxT = C - D OPP LER x T F un moyen de détermination de la différence (T2-T1)Aux de temps de trajet respectif des signaux acoustiques 51 et S2 entre les moyens 15 d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique : (R2 - R1) Aux ',---", c(T 2 -T1) Aux où (T2-T1)Aux est la différence estimée de temps de trajet ; - un moyen inertiel de mesure de la différence approchée (R2 - R1) AUX Y ledit moyen inertiel étant basé sur l'utilisation d'un ou plusieurs 20 accéléromètres, et/ou sur l'utilisation d'une ou de plusieurs unités de mesure inertielle comprenant des gyroscopes et des accéléromètres, et/ou sur l'utilisation d'une ou de plusieurs centrales de navigation inertielle hybridées avec d'autres moyens externes de positionnement. 25 Selon un autre aspect particulier de l'invention, la différence approchée (R2 - R1) Aux peut être supposée connue à priori et égale à zéro sous réserve que la vitesse radiale de déplacement entre le moyen d'émission et le moyen de réception soit suffisamment faible : Dans le cas ou la vitesse radiale V de déplacement relatif entre l'émetteur et le récepteur est telle que lequel le produit de l'intervalle temporel T par la vitesse radiale V de déplacement relatif entre l'émetteur acoustique et le récepteur acoustique étant tel que --2 2 <VT < 2 , on peut poser que la différence approchée (R2 - R1) Aux est égale à zéro.

Selon d'autres aspects particuliers d'un premier dispositif acoustique de positionnement de l'invention, les moyens auxiliaires d'évaluation de la différence approchée (R2-R1)Aux comprennent un second dispositif acoustique de positionnement ayant une des caractéristiques suivantes : - le second dispositif fonctionne à une fréquence acoustique plus basse ou une cadence plus élevée que le premier dispositif acoustique de positionnement de manière à ce que le déplacement relatif du mobile par rapport au second dispositif soit inférieur à une demi longueur d'onde entre deux émissions acoustiques successives du second dispositif ; - le second dispositif est disposé de telle façon que le déplacement du mobile par rapport au second dispositif soit inférieur à une demi longueur d'onde entre deux émissions acoustiques successives du second dispositif.

L'invention concerne aussi un procédé de positionnement relatif entre des moyens d'émission acoustique et des moyens de réception acoustique, ledit procédé comprenant les étapes suivantes - émission par lesdits moyens d'émission acoustique d'une séquence d'au moins un premier signal acoustique 51 et un second signal acoustique S2, de même fréquence acoustique centrale f, séparés par un intervalle temporel T déterminé, - réception et mesure de la phase d'arrivée 91 du premier signal acoustique 51 et de la phase d'arrivée 92 du second signal acoustique S2 sur lesdits moyens de réception acoustique, lesdites phases d'arrivée (pi , 92 étant mesurées par rapport à un oscillateur de référence, - évaluation, à mieux que une demi-longueur d'onde des signaux acoustiques Si et S2, de la différence approchée (R2-R1)Aux entre, d'une part la distance R1 parcourue par le premier signal acoustique Si entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, et d'autre part la distance R2 parcourue par le second signal acoustique S2 entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, - calcul du déplacement relatif (R2-R1) entre lesdits moyens d'émission acoustique et lesdits moyens de réception acoustique en fonction de la différence approchée (R2-R1)Aux , de l'intervalle temporel T et des phases d'arrivée (pi , (P2 respectivement du premier signal acoustique S1 et du second signal acoustique S2. L'invention trouvera une application particulièrement avantageuse dans les systèmes acoustiques de positionnement et/ou de navigation. La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles.

Cette description donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif à un émetteur et un récepteur acoustique, l'émetteur étant représenté à deux instants d'émission d'ondes acoustiques, et le récepteur acoustique à deux instants de réception d'ondes acoustiques ; - la figure 2 représente un mode de réalisation particulier dans lequel le déplacement relatif entre l'émetteur et le récepteur est contraint suivant une dimension et seul le récepteur se déplace au cours du temps ; - la figure 3 représente un mode de réalisation particulier dans lequel le déplacement relatif entre l'émetteur et le récepteur est contraint suivant une dimension et seul l'émetteur se déplace au cours du temps ; - la figure 4 représente schématiquement un dispositif, basé sur l'utilisation d'un récepteur mobile et de deux émetteurs fixes, et permettant 25 d'estimer le mouvement du mobile dans un plan ; - la figure 5 représente schématiquement un dispositif à un émetteur acoustique fixe et un récepteur acoustique mobile se déplaçant dans l'espace ; - la figure 6 représente schématiquement un dispositif dans lequel les 30 données du récepteur acoustique sont hybridées avec les données d'une centrale inertielle de navigation. La figure 1 illustre schématiquement le fonctionnement d'un dispositif acoustique de positionnement selon un premier mode de réalisation. Le dispositif comprend un émetteur acoustique B1 porté par exemple par un 35 porteur de référence et un récepteur acoustique B2 porté par exemple par un véhicule mobile. L'émetteur acoustique B1 est représenté à deux instants d'émission des signaux acoustiques S1 et S2, c'est-à-dire aux instants TO et T1 où T1 = TO + T. Le récepteur acoustique B2 est représenté à deux instants de réception des signaux acoustiques S1 et S2, c'est-à-dire aux instants T2 et T3. La distance R1 est la distance parcourue par le premier signal acoustique S1 entre l'émetteur B1 à l'instant TO et le récepteur B2 à l'instant T2. La distance R2 est la distance parcourue par le second signal acoustique S2 entre l'émetteur B1 à l'instant T1 et le récepteur B2 à l'instant T3. Sur la figure 1, l'émetteur B1 et le récepteur B2 sont mobiles. On cherche à mesurer le déplacement radial relatif entre l'émetteur B1 et le récepteur B2 pendant l'intervalle de temps T ou, autrement dit, la variation de la distance entre les deux points pendant l'intervalle de temps considéré. Un calculateur permet de déterminer précisément la distance R2-R1, à partir des paramètres T, des phases mesurées à chacune des réceptions et d'une valeur approchée (R2-Ri)Aux de R2-R1 à mieux que une demi longueur d'onde, grâce à l'algorithme suivant : - Déterminer l'unique entier K tel que : ço2 VI 211- -271--(fT -[fT])+ K soit dans l'intervalle (R2 -R1)Aux 1 (R2 -Ri)Aux± 1 2 2' 2 2 - Calculer : R2- R1= Âxç'2'- Âxçl+ K2- 2x(fT -"if]) 271- 271- (II) où X, représente la longueur d'onde acoustique des signaux acoustiques S1 et S2 et [fT] représente la partie entière du produit de la fréquence acoustique centrale f par l'intervalle temporel T, c'est-à-dire le plus grand nombre entier strictement inférieur àfT. Comme on le voit dans les deux étapes de l'algorithme de calcul du déplacement relatif (R2-R1), la précision du dispositif est affectée par la bonne connaissance du terme f T. Dans le cas des ondes acoustiques, la fréquence f des signaux acoustiques utilisée est, en général, relativement faible (typiquement quelques kHz à quelques centaines de kHz). Il n'est donc (I) 2 9 79 710 11 pas besoin d'une horloge de haute précision pour faire fonctionner le dispositif car un contrôle approximatif de T suffit. Par exemple si on suppose que le dispositif fonctionne dans l'eau (C=1500 m/s) avec des signaux de fréquence centrale 10 kHz (X=0.15m), un 5 intervalle T entre les signaux émis successivement de 1 seconde et une horloge à 5 ppm de dérive. La dérive de l'horloge ne contribue qu'à une erreur d'au plus 1/20 de la longueur d'onde soit moins de 0.75 cm. Le dispositif de l'invention permet ainsi de mesurer précisément le déplacement relatif R2-R1 entre l'émetteur B1 et le récepteur B2 au cours du 10 temps avec une précision égale à une fraction de la longueur d'onde X, du signal acoustique utilisé (typiquement 1/10 à 1/100 de longueur d'onde en fonction des différentes caractéristiques de signaux et d'horloge retenues) et donc avec une précision d'au moins un ordre de grandeur meilleure que les méthodes classiques. 15 Par exemple si on suppose que le dispositif fonctionne dans l'eau (C=1500 m/s) avec des signaux de fréquence centrale 10 kHz (X=0.15m), la précision du dispositif sera, en fonction du rapport signal sur bruit, de la performance du détecteur de phase et des autres éléments du dispositif, de l'ordre de 0.15 cm à 1.5 cm tandis que, comme nous l'avons vu plus haut, une 20 méthode antérieure, utilisant des ondes de fréquence comparable, basée sur la détection des temps d'arrivée, conduirait à une précision de l'ordre de 5 cm. Par exemple l'utilisation de ce mode de réalisation dans l'eau (C=1500 m/s) avec un signal à 10 kHz (X=0.15m) permet d'obtenir une précision de positionnement typiquement de l'ordre de 1/30 de longueur d'onde soit 0.5 cm, 25 dix fois mieux qu'une méthode de type base-longue utilisant des ondes de même fréquence telle que décrite ci-dessus. L'invention permet d'obtenir une précision de mesure indépendante de la distance entre l'émetteur et le récepteur, à la connaissance du profil de célérité près. 30 L'invention permet d'utiliser des ondes acoustiques de fréquence plus basse que les dispositifs antérieurs pour une même précision de mesure. Par exemple pour obtenir une précision de l'ordre de 0.5 cm avec une méthode basée sur la détection du temps de trajet du signal acoustique, il faut, en supposant un rapport signal bruit (très bon) de 10 dB, utiliser des ondes de largeur de bande supérieure à 10 kHz, soit typiquement de fréquence centrale 50 kHz. L'invention, comme on l'a vu, permet d'obtenir des performances meilleures avec des ondes de fréquence 10 kHz qui se propagent donc beaucoup mieux à grande distance dans le milieu. L'invention permet donc d'obtenir de très bonnes performances de positionnement à très grande portée avec un gain d'un ordre de grandeur par rapport aux méthodes classiques. Le dispositif de l'invention ne nécessite pas d'horloge précise pour fonctionner ; une horloge dont la stabilité est de quelques ppm suffit. En particulier le dispositif de l'invention ne nécessite pas de synchroniser l'horloge du récepteur et de l'émetteur pour fonctionner. Le dispositif de l'invention permet de positionner précisément un mobile sur lequel est fixé un dispositif acoustique fonctionnant uniquement en réception, c'est à dire en écoute passive seule, et donc avec les avantages corrélatifs de discrétion, d'économie d'énergie embarquée, de positionnement de mobiles multiples sur une même zone sans interférences. Le dispositif de l'invention repose sur des éléments simples couramment utilisés en acoustique et disponibles à bas coût (émetteur et récepteur acoustiques, calculateur). Le dispositif de l'invention permet d'obtenir de très bonnes performances en utilisant des éléments de petite taille car il ne nécessite pas l'utilisation d'une antenne multi-capteurs. La description ci-dessus présente la configuration la plus simple du dispositif. Cette configuration peut être adaptée en fonction du problème à résoudre comme décrit dans les sections suivantes en particulier.

Formes des signaux émis La forme d'onde des signaux acoustiques utilisés peut être de toute nature utilisée couramment en acoustique : signaux de fréquence pure, signaux modulées en fréquence, signaux modulés en phase etc. Les signaux peuvent être choisis pour avoir une sensibilité plus ou moins grande au décalage Doppler, laquelle sensibilité peut ensuite être compensée ou pas dans le calcul. Dans le cas où on choisit de compenser cette sensibilité, la compensation se traduit en pratique par une correction des termes X, et f dans les formules de calcul.

Les formes d'onde des signaux acoustiques envoyés successivement par l'émetteur peuvent être différentes sans que cela affecte les formules de calcul à condition que leur fréquence centrale soit la même. Plus de deux émissions successives peuvent être utilisées et les signaux émis aux cours du temps ainsi que les intervalles de temps entre les différents signaux peuvent être différents. Nombre d'éléments du dispositif Le nombre de moyens d'émission acoustiques et/ou de réceptions doit être adapté à la dimension du problème à résoudre ainsi qu'aux autres lo contraintes de l'environnement. La Figure 2 représente schématiquement un dispositif acoustique de positionnement selon un mode de réalisation particulier, dans lequel l'émetteur acoustique B1 est fixe et le récepteur acoustique B2 est sur un mobile dont le déplacement est contraint suivant une ligne géométrique. Dans ce cas, il suffit 15 d'utiliser un émetteur et un récepteur pour déterminer entièrement le déplacement du mobile. La Figure 3 représente schématiquement un dispositif acoustique de positionnement selon un autre mode de réalisation particulier, dans lequel le récepteur acoustique B2 est fixe et l'émetteur acoustique B1 est sur un mobile 20 dont le déplacement est contraint suivant une ligne géométrique. Dans ce cas aussi, il suffit d'utiliser un émetteur et un récepteur pour déterminer entièrement le déplacement du mobile. La Figure 4 représente schématiquement un dispositif acoustique selon un autre mode de réalisation, dans le cas d'un mobile se déplaçant sur un 25 plan. Dans ce cas, il est nécessaire d'utiliser au moins deux émetteurs fixes B1 et B11 et un récepteur B2 sur le mobile pour déterminer entièrement le déplacement du mobile. Alternativement, il est aussi possible d'utiliser au moins un émetteur sur le mobile et deux récepteurs fixes. Dans le cas d'un mobile se déplaçant dans l'espace en trois dimensions, il est nécessaire 30 d'utiliser au moins trois émetteurs et un récepteur ou au moins un émetteur et trois récepteurs pour déterminer entièrement le déplacement du mobile. De même que plus haut on peut placer indifféremment le moyen acoustique d'émission sur le mobile et les moyens de réception acoustique sur des références ou le moyen acoustique de réception sur le mobile et les moyens 35 d'émission acoustique sur des références.

La Figure 5 représente schématiquement un dispositif acoustique selon un autre mode de réalisation, dans le cas d'un mobile comportant un récepteur acoustique et se déplaçant par rapport à une référence fixe comportant un émetteur acoustique. Le mobile comporte un moyen inertiel de mesure du déplacement fournissant d'une part une estimation du déplacement DP dans l'espace entre les deux instants de réception des ondes S1 et S2, et d'autre part une estimation de la direction M bissectrice des directions des vecteurs R1 et R2. Une estimation du déplacement radial (R2-R1)Aux est donnée par le produit scalaire suivant : (R2 -R1)AUX = Dl" etri , où ii est le lo vecteur unitaire suivant M orienté de la référence fixe vers le mobile. Selon encore un autre mode de réalisation, on peut augmenter le nombre de moyens d'émission acoustique ou de réception afin de couvrir une zone plus grande ou d'assurer une redondance du dispositif global. Utilisation conjointe avec un moyen inertiel de mesure 15 Comme indiqué plus haut, le dispositif peut être avantageusement combiné à un moyen inertiel de mesure du mouvement. Dans ce cas, il est particulièrement avantageux de réaliser une hybridation entre ces deux moyens. Une telle hybridation est décrite ci-dessous et illustrée sur la figure 6. 20 Dans cet exemple, on considère un mobile comprenant un récepteur acoustique B2, un calculateur CPU et une centrale inertielle de navigation INS. On suppose qu'un émetteur acoustique est fixé en un point connu et émet des séquences de deux signaux S1, S2 tels que décrits plus haut. A chaque instant : 25 - le récepteur acoustique B2 détermine les phases d'arrivée (pi et (P2 respectivement des signaux S1 et S2 et les transmet au calculateur ; - la centrale inertielle de navigation INS détermine une valeur de la différence approchée (R2-R1)Aux du déplacement radial du mobile par rapport à l'émetteur ayant une position connue et transmet cette 30 valeur de la différence approchée (R2-R1)Aux au calculateur CPU ; comme on peut le voir sur la figure 5, cette valeur de la différence approchée (R2-R1)Aux est déterminée facilement à partir d'une estimation du déplacement de la centrale inertielle, de sa position initiale et de la position, connue, de l'émetteur ; - le calculateur détermine suivant le procédé de l'invention, une valeur corrigée (R2-R1) du déplacement radial relatif du mobile par rapport à l'émetteur et la transmet à la centrale de navigation inertielle ; - la centrale de navigation inertielle utilise (par exemple grâce à un filtre de Kalman) la valeur corrigée du déplacement relatif (R2-R1) afin de corriger l'estimation de ses paramètres internes. Pour que ce procédé fonctionne, il faut, comme indiqué dans la description de l'invention que l'estimation de la différence approchée (R2-R1)Aux par la centrale inertielle, soit précise à mieux que une demi longueur d'onde près. Ce besoin de précision permet de déterminer la classe de performance de la centrale inertielle nécessaire. Par exemple si on suppose que le dispositif fonctionne dans l'eau (C=1500 m/s) avec des signaux de fréquence centrale 10 kHz (X=0.15m), que le mobile se trouve à une distance de 1000m de l'émetteur et que sa position est connue avec une incertitude de 1 m, il suffit que la centrale inertielle dérive de moins de 7,5 cm entre la réception des deux signaux S1 et S2 pour que le dispositif fonctionne. Dans le cas où l'intervalle de temps entre les signaux S1 et S2 est de l'ordre de 1 seconde, il suffit donc que la centrale inertielle dérive de moins de 7,5 cm en 1 seconde. Des centrales inertielles de navigation de cette classe de performance sont disponibles sur le marché. On peut citer par exemple, la centrale inertielle PHINS de la société iXSea. Bien entendu si la classe de la centrale inertielle n'est pas suffisante, il est possible, afin d'améliorer ses performances, de l'hybrider par ailleurs avec un autre moyen de positionnement. Par exemple dans une application sous- marine, la centrale inertielle peut être hybridée avec un log doppler. Outre que la combinaison du procédé de l'invention avec une centrale inertielle de navigation permet d'obtenir les estimations approchées (R2- R1)Aux nécessaires, l'hybridation comporte aussi un grand nombre d'avantages supplémentaires qui apparaitront immédiatement à l'homme du métier. En particulier, l'hybridation permet d'obtenir une meilleure performance que la combinaison des deux systèmes. L'hybridation permet d'obtenir des données à haute cadence et non pas de se limiter à la cadence des ondes acoustiques. L'hybridation permet d'obtenir une position précise dans l'espace avec une seule balise de référence en profitant des mouvements du mobile au cours du temps pour résoudre les différentes ambiguïtés.

Enfin, il faut noter qu'un tel système permet de positionner de façon entièrement passive le mobile, et donc avec les avantages corrélatifs de discrétion, d'économie d'énergie embarquée, de positionnement de mobiles multiples sur une même zone sans interférences.

Autres caractéristiques Dans la description ci-dessus il n'est pas fait référence au moyen déclencheur des émissions acoustiques. Tous les moyens peuvent être utilisés en fonction des autres particularités du système. Par exemple les émissions acoustiques peuvent être déclenchées par un signal électrique ou acoustique. Par exemple ce signal électrique ou acoustique peut être envoyé par le moyen utilisé en réception ou par le moyen utilisé en émission dans le dispositif de l'invention. Les signaux acoustiques transitant entre les différents éléments du système peuvent être porteurs d'information supplémentaires utilisées ou non dans le cadre de la mesure du mouvement. Par exemple les signaux peuvent contenir des informations sur l'état de l'émetteur et en particulier sur sa position suivant un ou plusieurs des trois axes de l'espace Ces informations complémentaires peuvent être utilisées ou pas pour résoudre les ambigüités de longueur d'onde. Les informations de profil de célérité (connaissance de C le long du trajet acoustique) peuvent être déterminées par tout moyen classique et utilisées en temps différé ou en temps réel. Elles peuvent également être estimées conjointement au positionnement. Applications Le procédé et le dispositif de l'invention ont de nombreuses applications en particulier dans les domaines de la robotique, de la navigation et de la métrologie.

Par exemple, l'invention et le dispositif peuvent être utilisés pour positionner très précisément les éléments d'un robot de travail par rapport à des éléments de référence dans son environnement. Par exemple, l'invention et le dispositif peuvent être utilisés pour déterminer précisément les mouvements d'un véhicule évoluant sur une zone préalablement équipée de systèmes de référence. En particulier l'invention et le dispositif peuvent être utilisées pour déterminer les mouvements de robots d'intervention ou de mesure dans des environnements dangereux (mines, environnement radioactif,...) ou difficilement accessibles (profondeurs marines, zones inhabitées,...).

Par exemple, l'invention et le dispositif peuvent être utilisés pour réaliser des opérations de métrologie précises à l'aide de systèmes de mesures se déplaçant entre les différents éléments à positionner et dont les mouvements sont déterminés au moyen de l'invention.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif acoustique de positionnement comprenant des moyens d'émission acoustique (B1) et des moyens de réception acoustique (B2), les moyens d'émission acoustique (B1) étant configurés pour émettre une séquence d'au moins un premier signal acoustique S1 et un second signal acoustique S2, de même fréquence acoustique centrale f, séparés par un intervalle temporel T déterminé, lesdits moyens de réception acoustique (B2) étant aptes à recevoir et à mesurer la phase d'arrivée (pi du premier signal acoustique S1 et la phase d'arrivée (p2 du second signal acoustique S2 sur lesdits moyens de réception acoustique (B2), lesdites phases d'arrivée (pi , (P2 étant mesurées par rapport à un oscillateur de référence, caractérisé en ce que : ledit dispositif comprend des moyens de mesure du déplacement radial relatif entre lesdits moyens d'émission acoustique (B1) et lesdits moyens de réception acoustique (B2), lesdits moyens de mesure comprenant : - des moyens auxiliaires d'évaluation, à mieux que une demi-longueur d'onde, de la différence approchée (R2-R1)Aux entre, d'une part la distance R1 parcourue par le premier signal acoustique S1 entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, et d'autre part la distance R2 parcourue par le second signal acoustique S2 entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, - et des moyens de calcul du déplacement relatif (R2-R1) entre lesdits moyens d'émission acoustique et lesdits moyens de réception acoustique en fonction de la différence approchée (R2-R1)Aux, de l'intervalle temporel T et des phases d'arrivée (p 1 , 92 respectivement du premier signal acoustique S1 et du second signal acoustique S2.
2. 2. Dispositif acoustique de positionnement selon la revendication 1, dans lequel la fréquence acoustique centrale des signaux acoustiques S1 et S2 étant égale à f les moyens de calcul étant configurés pour déterminer le déplacement relatif (R2-R1) selon les formules suivantes:Détermination de l'unique entier K tel que : -- Ç-(fT-[fT])+ K soit dans l'intervalle 271- 271- (R2 - Ri) Aux 1 (R2 - Ri) Aux± 1 2 2' 2 2 - Calcul de : R2-R1= /Ixç'2- /1,0'1+ K2- 2x( fr -1fT1) 211- 211- (I) où X, représente la longueur d'onde à la fréquence acoustique f et [f-T] représente la partie entière du produit de la fréquence acoustique f par l'intervalle temporel T.
3. 3. Dispositif acoustique de positionnement selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les moyens d'émission acoustique comprennent un émetteur acoustique (B1) et les moyens de réception acoustique comprennent un récepteur acoustique (B2) et dans lequel le dispositif permet de mesurer le déplacement radial relatif entre l'émetteur acoustique et le récepteur acoustique pendant un intervalle de temps T.
4. 4. Dispositif acoustique de positionnement selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les moyens d'émission acoustique comprennent au moins deux émetteurs acoustiques (B1, B11) et les moyens de réception acoustique comprennent un récepteur acoustique (B2) et dans lequel le dispositif permet de mesurer le déplacement radial relatif respectivement entre chacun des au moins deux émetteurs acoustiques et le récepteur acoustique.
5. 5. Dispositif acoustique de positionnement selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les moyens d'émission acoustique comprennent un émetteur acoustique (B1) et les moyens de réception acoustique comprennent au moins deux récepteurs acoustiques (B2, B22) et dans lequel le dispositif permet de mesurer le déplacement radial relatif respectivement entre l'émetteur acoustique et chacun des au moins deux récepteurs acoustiques. (I)
6. 6. Dispositif acoustique de positionnement selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les moyens auxiliaires d'évaluation de la différence approchée (R2-R1)Aux comprennent un moyen de détermination de la vitesse VAUX du déplacement relatif entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, basé sur l'estimation du décalage doppler des ondes acoustiques transmises entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique : (R2- R1) Aux = VAuxT =-cDOPPLERxT F
7. 7. Dispositif acoustique de positionnement selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens auxiliaires d'évaluation de la différence approchée (R2-R1)Aux comprennent un moyen de détermination de la différence (T2-T1)Aux de temps de trajet respectif des signaux acoustiques S1 et S2 entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique selon la formule suivante : (R2- R1) Aux ',---", c(T2-T1)Aux où (T2-T1)Aux est la différence estimée de temps de trajet.
8. 8. Dispositif acoustique de positionnement selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens auxiliaires d'évaluation de la différence approchée (R2-R1)Aux comprennent un moyen inertiel de mesure de la différence approchée (R2 - R1)AUX Y ledit moyen inertiel étant basé sur l'utilisation d'un ou de plusieurs accéléromètres, et/ou sur l'utilisation d'une ou de plusieurs unités de mesure inertielle comprenant des gyroscopes et des accéléromètres, et/ou sur l'utilisation d'une ou de plusieurs centrales de navigation inertielle hybridées avec d'autres moyens externes de positionnement.
9. 9. Dispositif acoustique de positionnement l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le produit de l'intervalle temporel T par la vitesse radiale V de déplacement relatif entre l'émetteur acoustique et le récepteur acoustique étant tel que : 2 2 -- 2 <VT <- 2 ' on peut poser que la différence approchée (R2 - R1)AUX est égale à zéro.
10. 10. Dispositif acoustique de positionnement selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les moyens auxiliaires d'évaluation de la différence approchée (R2-R1)Aux comprennent un second dispositif acoustique de positionnement selon l'une des revendications 1 à 9, le second dispositif acoustique de positionnement ayant une fréquence acoustique plus basse ou une cadence plus élevée que le premier dispositif acoustique de positionnement de manière à ce que le déplacement relatif du mobile par rapport au second dispositif soit inférieur à une demi longueur d'onde entre deux émissions acoustiques successives du second dispositif ou le second dispositif étant disposé de telle façon que le déplacement du mobile par rapport au second dispositif soit inférieur à une demi longueur d'onde entre deux émissions acoustiques successives du second dispositif.
11. 11. Procédé acoustique de positionnement relatif entre des moyens d'émission acoustique (B1, B11) et des moyens de réception acoustique (B2), ledit procédé comprenant les étapes suivantes - émission par lesdits moyens d'émission acoustique (B1, B11) d'une séquence d'au moins un premier signal acoustique S1 et un second signal acoustique S2, de même fréquence acoustique centrale f séparés par un intervalle temporel T déterminé, - réception et mesure de la phase d'arrivée (pi du premier signal acoustique S1 et de la phase d'arrivée (p2 du second signal acoustique S2 sur lesdits moyens de réception acoustique (B2), lesdites phases d'arrivée (pli (p2 étant mesurées par rapport à un oscillateur de référence, - évaluation, à mieux que une demi-longueur d'onde, de la différence approchée (R2-R1)Aux entre, d'une part la distance R1 parcourue par le premier signal acoustique S1 entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, et d'autre part la distance R2 parcourue par le second signal acoustique S2 entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, - et calcul du déplacement relatif (R2-R1) entre lesdits moyens d'émission acoustique et lesdits moyens de réception acoustique en fonction de la différence approchée (R2-R1)Aux, de l'intervalle temporel T et des phases d'arrivée (p 1 , 92 respectivement du premier signal acoustique S1 et du second signal acoustique S2.