FR3096128A1 - 720 ° absolute inclinometer capable of operating in milli-gravity - Google Patents

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Abstract

Le présent exposé concerne un dispositif de reconnaissance d’attitude (7) d’un objet, caractérisé en ce qu’il comporte : une sphère (11) comportant une paroi (13) apte à laisser passer au moins partiellement un flux lumineux ; une bille (17), montée mobile à l’intérieur de ladite sphère (11) ; un dispositif d’acquisition d’images (19), agencé dans ledit dispositif de reconnaissance d’attitude (7) pour acquérir une image bidimensionnelle de la bille (17) et de la sphère (11) ; un dispositif d’émission d’un flux lumineux (21), agencé dans ledit dispositif de reconnaissance d’attitude (7) pour émettre un flux lumineux en direction de ladite sphère (11) ; un dispositif de traitement d’images (23), connecté au dispositif d’acquisition d’images (19), piloté par un algorithme de traitement d’images et conçu pour piloter le dispositif d’émission d’un flux lumineux (21), pour récupérer ladite image acquise par ledit dispositif d’acquisition d’images (19) et pour déterminer à partir de ladite image (29) un vecteur gravité ( ) ayant pour origine le centre (Os) de la sphère (11) et pour extrémité le centre (OB) de la bille (17). Figure pour l’abrégé : Fig. 2This presentation relates to a device for recognizing the attitude (7) of an object, characterized in that it comprises: a sphere (11) comprising a wall (13) capable of at least partially letting a luminous flux pass; a ball (17), movably mounted inside said sphere (11); an image acquisition device (19), arranged in said attitude recognition device (7) to acquire a two-dimensional image of the ball (17) and of the sphere (11); a luminous flux emitting device (21), arranged in said attitude recognition device (7) to emit a luminous flux towards said sphere (11); an image processing device (23), connected to the image acquisition device (19), driven by an image processing algorithm and designed to drive the device for emitting a light flux (21) , to recover said image acquired by said image acquisition device (19) and to determine from said image (29) a gravity vector () originating from the center (Os) of the sphere (11) and for end the center (OB) of the ball (17). Figure for the abstract: Fig. 2

Description

Inclinomètre absolu 720° pouvant fonctionner en milli-gravité720° absolute inclinometer that can operate in milli-gravity

La présente invention s’inscrit dans le domaine de l’exploration spatiale, et concerne un capteur opto-mécanique apte à être utilisé dans un environnement spatial à faible gravité, tel que celui à la surface d’un astéroïde ou d’une petite lune.The present invention falls within the field of space exploration, and relates to an opto-mechanical sensor suitable for use in a space environment with low gravity, such as that on the surface of an asteroid or a small moon. .

Plus précisément, la présente invention a trait à un dispositif de reconnaissance d’attitude d’un objet, à un objet comportant un tel dispositif, à une sonde spatiale comportant un tel dispositif, à un atterrisseur comportant un tel dispositif et à un procédé de reconnaissance d’attitude d’un objet, mis en œuvre par un tel dispositif.More specifically, the present invention relates to a device for recognizing the attitude of an object, to an object comprising such a device, to a space probe comprising such a device, to a lander comprising such a device and to a method of attitude recognition of an object, implemented by such a device.

Dans le domaine de l’exploration spatiale, l’utilisation de sondes d’exploration automatiques permet de réaliser des missions qui ne sont à ce jour pas envisageables pour des missions habitées.In the field of space exploration, the use of automatic exploration probes makes it possible to carry out missions which are not currently possible for manned missions.

Ces missions d’exploration automatiques sont menées par des sondes spatiales équipées d’instruments scientifiques qui sont lancées depuis la Terre à l’aide de fusées et envoyées vers les corps célestes à explorer pour les étudier de plus près.These automatic exploration missions are carried out by space probes equipped with scientific instruments that are launched from Earth using rockets and sent to the celestial bodies to be explored to study them more closely.

Les sondes spatiales d’exploration tendent de plus en plus souvent à embarquer une ou plusieurs petites sondes filles larguées par une sonde mère vers la surface de l’objet céleste à explorer, lorsqu’elle arrive à proximité de ce dernier.Exploration space probes tend more and more often to embark one or more small daughter probes dropped by a mother probe towards the surface of the celestial object to be explored, when it arrives close to the latter.

Dans ce contexte, les sondes filles sont des véhicules spatiaux automatiques, équipés eux aussi d’instruments scientifiques, qui vont donc se poser à la surface des corps célestes à explorer, contrairement aux sondes mères qui, elles, vont explorer à distance la plus grande surface possible du corps céleste. Cette approche permet de compléter les données scientifiques globales mesurées à distance par la sonde mère par des données scientifiques locales, mesurées in situ à la surface par la sonde fille.In this context, the daughter probes are automatic space vehicles, also equipped with scientific instruments, which will therefore land on the surface of the celestial bodies to be explored, unlike the mother probes which, for their part, will remotely explore the largest possible surface of the celestial body. This approach makes it possible to supplement the global scientific data measured remotely by the parent probe with local scientific data, measured in situ at the surface by the daughter probe.

On qualifie les sondes filles destinées à atterrir à la surface des corps célestes par le terme générique d’« atterrisseurs » ou bien par les termes anglais plus spécifiques « lander », « hopper » ou « rover » en fonction des capacités de mobilité de celles-ci.The daughter probes intended to land on the surface of celestial bodies are qualified by the generic term "landers" or by the more specific English terms "lander", "hopper" or "rover" depending on the mobility capabilities of those -this.

Ainsi, les sondes désignées par le terme anglais « landers » ne sont pas pourvues de capacités de déplacement. Elles effectuent les mesures scientifiques à l’endroit de leur atterrissage.Thus, the probes designated by the English term “landers” are not provided with displacement capacities. They carry out scientific measurements at the place of their landing.

Les sondes désignées par le terme anglais « hoppers » sont équipées d’un dispositif leur permettant d’effectuer des sauts afin de pouvoir visiter d’autres sites que le site d’atterrissage initial.The probes designated by the English term "hoppers" are equipped with a device allowing them to perform jumps in order to be able to visit sites other than the initial landing site.

Les sondes désignées par le terme anglais « rovers » sont généralement équipées de roues afin de pouvoir rouler à la surface de l’objet à explorer en vue d’atteindre des sites cibles définis par les équipes au sol en fonction de leur intérêt scientifique potentiel et des risques encourus pour les atteindre.The probes designated by the English term "rovers" are generally equipped with wheels in order to be able to roll on the surface of the object to be explored in order to reach target sites defined by the ground teams according to their potential scientific interest and the risks involved in achieving them.

En fonction du profil de la mission, l’atterrisseur est largué à une altitude variant entre plusieurs dizaines de mètres et plusieurs kilomètres au-dessus de la surface du corps céleste à explorer. L’atterrisseur tombe vers la surface du corps à explorer, par gravité. En fonction de l’altitude de largage, de la vitesse initiale et de l’intensité de la gravité, la durée du trajet vers la surface est comprise entre quelques secondes et plusieurs heures.Depending on the profile of the mission, the lander is dropped at an altitude varying between several tens of meters and several kilometers above the surface of the celestial body to be explored. The lander falls towards the surface of the body to be explored, by gravity. Depending on the release altitude, the initial speed and the intensity of the gravity, the duration of the trip to the surface is between a few seconds and several hours.

Du fait de sa vitesse d’impact et de la faible gravité à la surface des petits corps du système solaire, après être entré en contact avec le corps, l’atterrisseur rebondit généralement plusieurs fois à la surface, avant de se stabiliser à un endroit inconnu avec une attitude inconnue. La distance parcourue pendant les rebonds peut être importante.Due to its impact speed and the low gravity on the surface of small bodies in the solar system, after contacting the body, the lander usually bounces several times on the surface, before settling in one place. stranger with an unfamiliar attitude. The distance traveled during rebounds can be significant.

Pour les atterrisseurs ayant des capacités de mobilité (sondes désignées en anglais par « hoppers » et « rovers »), il convient de déterminer de façon précise l’attitude d’immobilisation à la surface du corps afin de prendre les bonnes décisions leur permettant de se redresser et de déployer des générateurs solaires le cas échéant. Cette étape de détermination de l’orientation de l’atterrisseur en contact avec le sol du corps à explorer est critique, car une information erronée sur l’attitude de l’atterrisseur peut avoir pour conséquences sa détérioration voire la perte de la mission (par exemple tentative de déploiement des générateurs solaires alors que l’atterrisseur est orienté « la tête en bas » et donc que les générateurs solaires se trouvent sous l’atterrisseur, en contact avec la surface du corps céleste). La détermination de l’attitude doit pouvoir se faire de manière autonome car la communication avec la Terre n’est pas possible si par exemple l’attitude de l’atterrisseur oriente son ou ses antenne(s) de manière défavorable pour assurer une communication.For landers with mobility capabilities (probes designated in English by "hoppers" and "rovers"), it is necessary to precisely determine the attitude of immobilization on the surface of the body in order to make the right decisions allowing them to recover and deploy solar generators where appropriate. This step of determining the orientation of the lander in contact with the ground of the body to be explored is critical, because erroneous information on the attitude of the lander can have the consequences of its deterioration or even the loss of the mission (for example attempt to deploy the solar generators while the lander is oriented "upside down" and therefore the solar generators are under the lander, in contact with the surface of the celestial body). It must be possible to determine the attitude autonomously because communication with the Earth is not possible if, for example, the attitude of the lander orients its antenna(s) unfavorably to ensure communication.

On connaît de l’art antérieur plusieurs dispositifs permettant d’identifier l’orientation d’un objet, comme les accéléromètres, les gyroscopes ou encore un ensemble de photodiodes.Several devices are known from the prior art making it possible to identify the orientation of an object, such as accelerometers, gyroscopes or even a set of photodiodes.

La plupart des accéléromètres « sur étagère » sont conçus pour être utilisés en gravité terrestre (par exemple les accéléromètres intégrés dans les terminaux mobiles de communication désignés par le terme anglais « smartphone »). Leur utilisation à la surface de petits corps du système solaire où la gravité peut être des milliers de fois plus faible que sur Terre est problématique car le signal de sortie serait noyé dans le bruit de mesure.Most of the "off-the-shelf" accelerometers are designed to be used in terrestrial gravity (for example the accelerometers integrated in the mobile communication terminals designated by the English term "smartphone"). Their use on the surface of small bodies in the solar system where gravity can be thousands of times weaker than on Earth is problematic because the output signal would be drowned in measurement noise.

L’utilisation de gyroscopes présente plusieurs inconvénients. Tout d’abord, le coût d’un gyroscope spatialisé, c’est-à-dire qui peut être utilisé en environnement spatial (conditions de vide, cyclages thermiques, radiations...) est particulièrement élevé. Ensuite, le gyroscope utilise les conditions initiales de la sonde (attitude de la sonde par rapport au site d’atterrissage) pour en déduire une orientation angulaire de l’atterrisseur. La déduction de l’orientation angulaire de la sonde par rapport au sol se fait en intégrant dans le temps les valeurs d’angles mesurés entre la première attitude, juste avant le largage par la sonde mère, et l’attitude finale lorsque l’atterrisseur se trouve sur le sol, c’est-à-dire après avoir rebondi plusieurs fois avant sa stabilisation. Or un redémarrage du calculateur bord suite à un changement d’état inopiné dans l’électronique dû à un événement ionisant (« SEU » pour « Single Event Upset » en anglais) ou un plantage de l’électronique du gyroscope suite à un évènement « SEU » pendant la phase de descente ou pendant les rebonds de l’atterrisseur pourrait entraîner une perte d’informations. De même, les chocs et les collisions de l’atterrisseur avec les éléments géologiques pouvant être présents à la surface lors des rebonds constituent des non-linéarités qui sont susceptibles de venir fausser les mesures. Finalement, la consommation électrique relativement importante des gyroscopes peut être très pénalisante pour des missions qui sont souvent très contraintes d’un point de vue énergétique.The use of gyroscopes has several disadvantages. First of all, the cost of a spatialized gyroscope, i.e. one that can be used in a space environment (vacuum conditions, thermal cycling, radiation, etc.) is particularly high. Then, the gyroscope uses the initial conditions of the probe (attitude of the probe relative to the landing site) to deduce an angular orientation of the lander. The deduction of the angular orientation of the probe relative to the ground is done by integrating over time the values of angles measured between the first attitude, just before the release by the mother probe, and the final attitude when the lander is on the ground, i.e. after bouncing several times before it stabilizes. However, a restart of the on-board computer following an unexpected change of state in the electronics due to an ionizing event ("SEU" for "Single Event Upset" in English) or a crash of the gyroscope electronics following an event " SEU” during the descent phase or during lander bounces could lead to loss of information. Similarly, shocks and collisions of the lander with geological elements that may be present on the surface during bounces constitute non-linearities that are likely to distort the measurements. Finally, the relatively high power consumption of gyroscopes can be very penalizing for missions that are often very constrained from an energy point of view.

Enfin, la solution utilisant des photodiodes consiste à analyser le signal en sortie de photodiodes placées à plusieurs endroits de l’atterrisseur pour en déduire l’attitude de celui-ci. Cependant, en fonction du relief du site où s’est immobilisé l’atterrisseur, des ombrages ou la proximité de structures géologiques sont susceptibles de venir induire en erreur l’algorithme de décision. Par ailleurs, le régolithe qui compose généralement la surface du corps à explorer peut recouvrir les diodes lors des rebonds, pouvant également fausser les mesures.Finally, the solution using photodiodes consists of analyzing the output signal from photodiodes placed at several locations on the lander to deduce its attitude. However, depending on the relief of the site where the lander is immobilized, shadows or the proximity of geological structures are likely to mislead the decision algorithm. Moreover, the regolith which generally makes up the surface of the body to be explored can cover the diodes during rebounds, which can also distort the measurements.

La présente invention vise à s’affranchir des inconvénients ci-dessus, et propose pour ce faire un dispositif de reconnaissance d’attitude d’un objet, remarquable en ce qu’il comporte :The present invention aims to overcome the above drawbacks, and to do this proposes a device for recognizing the attitude of an object, remarkable in that it comprises:

  • une sphère comportant une paroi apte à laisser passer au moins partiellement un flux lumineux ;a sphere comprising a wall able to pass at least partially a luminous flux;
  • une bille, montée mobile à l’intérieur de ladite sphère ;a ball, movably mounted inside said sphere;
  • un dispositif d’acquisition d’images, agencé dans ledit dispositif de reconnaissance d’attitude pour acquérir une image bidimensionnelle de la bille et de la sphère ;an image acquisition device, arranged in said attitude recognition device to acquire a two-dimensional image of the ball and the sphere;
  • un dispositif d’émission d’un flux lumineux, agencé dans ledit dispositif de reconnaissance d’attitude pour émettre un flux lumineux en direction de ladite sphère ;a device for emitting a luminous flux, arranged in said attitude recognition device to emit a luminous flux in the direction of said sphere;
  • un dispositif de traitement d’images, connecté au dispositif d’acquisition d’images, piloté par un algorithme de traitement d’images et conçu pour piloter le dispositif d’émission d’un flux lumineux, pour récupérer ladite image acquise par ledit dispositif d’acquisition d’images et pour déterminer à partir de ladite image un vecteur gravité ayant pour origine le centre de la sphère et pour extrémité le centre de la bille.an image processing device, connected to the image acquisition device, driven by an image processing algorithm and designed to drive the device for emitting a luminous flux, to recover said image acquired by said device image acquisition and to determine from said image a gravity vector having the center of the sphere as its origin and the center of the ball as its end.

Ainsi, en prévoyant d’identifier la direction et le sens du vecteur gravité au point de chute de l’atterrisseur, on permet au logiciel de celui-ci d’en déduire l’attitude du dispositif de reconnaissance d’attitude et donc l’attitude de l’atterrisseur et d’agir en conséquence.Thus, by planning to identify the direction and the direction of the gravity vector at the point of fall of the lander, the software of the latter is enabled to deduce therefrom the attitude of the attitude recognition device and therefore the attitude of the lander and to act accordingly.

La présente invention permet de constituer une solution précise et robuste par rapport aux solutions de l’art antérieur et plus économique qu’une solution issue de l’art antérieur offrant des performances similaires.The present invention makes it possible to constitute a precise and robust solution compared to the solutions of the prior art and more economical than a solution resulting from the prior art offering similar performance.

Aussi, en prévoyant de positionner la bille à l’intérieur d’une sphère, la mesure du vecteur gravité est obtenue sur 4 Pi stéradians, soit sur 720°, ce qui permet au dispositif de reconnaissance d’attitude selon l’invention d’être pleinement opérationnel quelle que soit l’attitude de l’atterrisseur à l’intérieur duquel est destiné à être monté le dispositif de reconnaissance d’attitude de l’invention.Also, by planning to position the ball inside a sphere, the measurement of the gravity vector is obtained over 4 Pi steradians, i.e. over 720°, which allows the attitude recognition device according to the invention to be fully operational regardless of the attitude of the undercarriage inside which the attitude recognition device of the invention is intended to be mounted.

Le dispositif effectue donc une mesure absolue, indépendante de tout état initial, robuste à toute défaillance transitoire due aux radiations pendant la phase de descente de l’atterrisseur vers la surface et indépendante de tout stress apporté par les chocs plus ou moins violents lors des rebonds et pouvant fonctionner même en très faible gravité si on laisse le temps à la bille de se stabiliser dans la sphère.The device therefore performs an absolute measurement, independent of any initial state, robust to any transient failure due to radiation during the descent phase of the lander towards the surface and independent of any stress caused by more or less violent shocks during rebounds. and can operate even in very low gravity if the ball is allowed time to stabilize in the sphere.

Cette mesure peut, par ailleurs, être renouvelée à tout moment de la mission à la surface lorsque l’atterrisseur est immobile et que le besoin de connaître l’attitude de l’atterrisseur se présente. Cette mesure à tout moment peut donc se faire sans avoir à intégrer les mouvements de l’atterrisseur lors de ses déplacements (cas « hopper » et « rover ») et donc sans consommer de l’énergie électrique pendant lesdits déplacements, le dispositif pouvant être maintenu hors tension en dehors des phases de mesure.This measurement can, moreover, be repeated at any time during the mission on the surface when the lander is immobile and the need to know the attitude of the lander arises. This measurement can therefore be made at any time without having to integrate the movements of the undercarriage during its movements (case of "hopper" and "rover") and therefore without consuming electrical energy during said movements, the device being able to be kept de-energized outside the measurement phases.

Selon des caractéristiques optionnelles du dispositif de reconnaissance d’attitude selon l’invention :According to optional characteristics of the attitude recognition device according to the invention:

  • le dispositif de reconnaissance d’attitude d’un objet comporte un boîtier à l’intérieur duquel sont montés :
    • le dispositif d’acquisition d’images,
    • la sphère, à l’intérieur de laquelle est montée la bille, en aval par rapport audit dispositif d’acquisition d’images,
    • le dispositif d’émission d’un flux lumineux, en amont par rapport à ladite sphère ;
    the attitude recognition device of an object comprises a box inside which are mounted:
    • the image acquisition device,
    • the sphere, inside which the ball is mounted, downstream with respect to said image acquisition device,
    • the device for emitting a luminous flux, upstream with respect to said sphere;
  • selon une réalisation, le dispositif de traitement d’images est monté à l’intérieur du boîtier ou est directement intégré au dispositif d’acquisition d’images ;according to one embodiment, the image processing device is mounted inside the housing or is directly integrated into the image acquisition device;
  • le dispositif d’émission d’un flux lumineux comporte un ensemble de diodes électroluminescentes amont ;the device for emitting a luminous flux comprises a set of upstream light-emitting diodes;
  • l’ensemble de diodes électroluminescentes amont est monté en aval par rapport au dispositif d’acquisition d’images ;the set of upstream light-emitting diodes is mounted downstream with respect to the image acquisition device;
  • selon une réalisation, le dispositif de reconnaissance d’attitude comporte un diaphragme, qui s’étend radialement depuis une face extérieure de la paroi de la sphère, ledit diaphragme contenant un plan de la sphère sensiblement orthogonal à un axe longitudinal du boîtier, ledit diaphragme définissant, d’une part, un compartiment amont du boîtier, à l’intérieur duquel sont montés le dispositif d’acquisition d’images et l’ensemble de diodes électroluminescentes amont et, d’autre part, un compartiment aval, le dispositif d’émission d’un flux lumineux comportant en outre un ensemble de diodes électroluminescentes aval, monté dans le compartiment aval dudit boîtier ;according to one embodiment, the attitude recognition device comprises a diaphragm, which extends radially from an outer face of the wall of the sphere, said diaphragm containing a plane of the sphere substantially orthogonal to a longitudinal axis of the housing, said diaphragm defining, on the one hand, an upstream compartment of the casing, inside which are mounted the image acquisition device and the assembly of upstream light-emitting diodes and, on the other hand, a downstream compartment, the device for emission of a luminous flux further comprising a set of downstream light-emitting diodes, mounted in the downstream compartment of said housing;
  • l’ensemble de diodes électroluminescentes aval est monté en aval du diaphragme, sur le diaphragme ou à proximité du diaphragme ;the set of downstream light-emitting diodes is mounted downstream of the diaphragm, on the diaphragm or close to the diaphragm;
  • la bille aune couleur différente de celle des parois internes du boîtier ;the ball has a different color from that of the internal walls of the case;
  • dans une réalisation, la bille est de couleur blanche et les parois internes du boîtier sont de couleur noire ;in one embodiment, the ball is white in color and the internal walls of the housing are black in color;
  • selon une disposition, le dispositif d’acquisition d’images, le dispositif d’émission d’un flux lumineux et le dispositif de traitement d’images sont spatialisés.according to one arrangement, the image acquisition device, the device for emitting a light flux and the image processing device are spatialized.

L’invention concerne également un objet comportant un dispositif de reconnaissance d’attitude selon l’invention.The invention also relates to an object comprising an attitude recognition device according to the invention.

L’invention concerne aussi une sonde spatiale comportant un dispositif de reconnaissance d’attitude selon l’invention.The invention also relates to a space probe comprising an attitude recognition device according to the invention.

L’invention a également trait à un atterrisseur, consistant en un véhicule spatial conçu pour se poser et/ou pour se poser et se déplacer à la surface d’un corps céleste à explorer, remarquable en ce qu’il comporte un dispositif de reconnaissance d’attitude selon l’invention.The invention also relates to a lander, consisting of a space vehicle designed to land and/or to land and move on the surface of a celestial body to be explored, remarkable in that it includes a recognition device of attitude according to the invention.

L’invention concerne en outre un procédé de reconnaissance d’attitude d’un objet mis en œuvre par un dispositif de reconnaissance d’attitude selon l’invention, remarquable en ce qu’il comporte les étapes suivantes visant à :The invention further relates to a method for recognizing the attitude of an object implemented by an attitude recognition device according to the invention, noteworthy in that it comprises the following steps aimed at:

  • définir un repère orthonormé direct tridimensionnel (O, X, Y, Z) ayant pour origine le centre de la sphère ;define a three-dimensional direct orthonormal coordinate system (O, X, Y, Z) having the center of the sphere as its origin;
  • acquérir une image sur laquelle la sphère et la bille sont visibles ;acquire an image on which the sphere and the ball are visible;
  • rectifier ladite image acquise de façon à corriger les distorsions géométriques ;rectifying said acquired image so as to correct the geometric distortions;
  • identifier la bille dans ladite image acquise et rectifiée ;identifying the ball in said acquired and rectified image;
  • définir dans le plan image à partir du repère orthonormé direct tridimensionnel (O, X, Y, Z) un repère orthonormé direct bidimensionnel (OI, X, Y) ayant pour origine l’image du centre de la sphère ;define in the image plane from the three-dimensional direct orthonormal reference (O, X, Y, Z) a two-dimensional direct orthonormal reference (O I , X, Y) originating from the image of the center of the sphere;
  • identifier dans ladite image acquise et rectifiée les coordonnées (Xb, Yb) du centre de la bille dans ledit repère orthonormé direct bidimensionnel (OI, X, Y) ;identifying in said acquired and rectified image the coordinates (X b , Y b ) of the center of the ball in said two-dimensional direct orthonormal frame (O I , X, Y);
  • calculer, à partir des coordonnées bidimensionnelles (Xb, Yb) et en fonction de paramètres du dispositif de reconnaissance d’attitude, les deux jeux de coordonnées tridimensionnelles (XB1, YB1, ZB1) et (XB2, YB2, ZB2) de la bille dans le repère orthonormé direct (O, X, Y, Z), correspondant aux deux positions physiques de la bille dans la sphère possibles pour la position (Xb, Yb) du centre de la bille dans l’image ;calculate, from the two-dimensional coordinates (X b , Y b ) and according to parameters of the attitude recognition device, the two sets of three-dimensional coordinates (X B1 , Y B1 , Z B1 ) and (X B2 , Y B2 , Z B2 ) of the ball in the direct orthonormal frame (O, X, Y, Z), corresponding to the two possible physical positions of the ball in the sphere for the position (X b , Y b ) of the center of the ball in the image ;
  • calculer la valeur de la surface apparente de la bille dans l’image acquise ;calculate the value of the apparent surface of the ball in the acquired image;
  • comparer ladite valeur de la surface apparente de la bille à une valeur ou à un ensemble de valeurs de calibration préalablement obtenus lors d’une phase de calibration du dispositif de reconnaissance d’attitude ;comparing said value of the apparent surface of the ball with a value or with a set of calibration values previously obtained during a calibration phase of the attitude recognition device;
  • déduire lequel des deux jeux de coordonnées (XB1, YB1, ZB1) ou (XB2, YB2, ZB2) est celui qui correspond à la position de la bille dans la sphère ;deduce which of the two sets of coordinates (X B1 , Y B1 , Z B1 ) or (X B2 , Y B2 , Z B2 ) is the one that corresponds to the position of the ball in the sphere;
  • déduire le vecteur gravité, dont son origine est le centre de la sphère et son extrémité est donnée par les coordonnées (XB, YB, ZB) du centre (OB) de la bille dans le repère orthonormé direct (O, X, Y, Z).deduce the gravity vector, whose origin is the center of the sphere and its extremity is given by the coordinates (X B , Y B , Z B ) of the center (O B ) of the ball in the direct orthonormal frame (O, X , Y, Z).

Selon une caractéristique optionnelle du procédé selon l’invention, l’étape visant à déduire lequel des deux jeux de coordonnées (XB1, YB1, ZB1) ou (XB2, YB2, ZB2) est celui qui correspond à la position de la bille dans la sphère comporte une étape d’acquisition d’image de la sphère et de la bille par le dispositif d’acquisition d’images, ladite étape d’acquisition d’image de la bille et de la sphère comportant une phase d’allumage de l’ensemble des diodes électroluminescentes aval.According to an optional characteristic of the method according to the invention, the step aimed at deducing which of the two sets of coordinates (X B1 , Y B1 , Z B1 ) or (X B2 , Y B2 , Z B2 ) is the one which corresponds to the position of the ball in the sphere comprises a step of image acquisition of the sphere and of the ball by the image acquisition device, said step of image acquisition of the ball and of the sphere comprising a ignition phase of all the downstream light-emitting diodes.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows for the understanding of which reference will be made to the appended drawings in which:

illustre l’atterrisseur selon l’invention. illustrates the undercarriage according to the invention.

illustre un premier mode de réalisation du dispositif de reconnaissance d’attitude de l’invention. illustrates a first embodiment of the attitude recognition device of the invention.

représente l’atterrisseur selon une première attitude. represents the lander according to a first attitude.

montre le dispositif de reconnaissance d’attitude de l’atterrisseur selon l’attitude donnée à la figure 3. shows the attitude recognition device of the lander according to the attitude given in figure 3.

représente l’image acquise lorsque l’atterrisseur se trouve dans l’attitude de la figure 3. represents the image acquired when the lander is in the attitude of figure 3.

représente l’atterrisseur selon une deuxième attitude. represents the lander according to a second attitude.

montre le dispositif de reconnaissance d’attitude de l’atterrisseur selon l’attitude donnée à la figure 6. shows the attitude recognition device of the lander according to the attitude given in figure 6.

représente l’image acquise lorsque l’atterrisseur se trouve dans l’attitude de la figure 6. represents the image acquired when the lander is in the attitude of figure 6.

représente l’atterrisseur selon une troisième attitude. represents the lander according to a third attitude.

montre le dispositif de reconnaissance d’attitude de l’atterrisseur selon l’attitude donnée à la figure 9. shows the attitude recognition device of the lander according to the attitude given in figure 9.

représente l’image acquise lorsque l’atterrisseur se trouve dans l’attitude de la figure 9. represents the image acquired when the lander is in the attitude of figure 9.

représente une modélisation du dispositif de reconnaissance d’attitude. represents a modeling of the attitude recognition device.

représente en vue transversale le modèle de la figure 12 avec deux positions possibles de la bille pour une position donnée dans l’image. shows in transverse view the model of figure 12 with two possible positions of the ball for a given position in the image.

est une vue similaire à celle de la figure 13, la bille étant positionnée dans la sphère à un emplacement distinct de celui de la figure 12. is a view similar to that of figure 13, the ball being positioned in the sphere at a different location from that of figure 12.

illustre un deuxième mode de réalisation du dispositif de reconnaissance d’attitude de l’invention. illustrates a second embodiment of the attitude recognition device of the invention.

donne un exemple d’utilisation du dispositif de reconnaissance d’attitude selon le deuxième mode de réalisation. gives an example of use of the attitude recognition device according to the second embodiment.

donne un autre exemple d’utilisation du dispositif de reconnaissance d’attitude selon le deuxième mode de réalisation. gives another example of use of the attitude recognition device according to the second embodiment.

Sur l’ensemble des figures, des références identiques ou analogues représentent des organes ou ensembles d’organes identiques ou analogues.In all of the figures, identical or similar references represent identical or similar components or sets of components.

Dans la description et dans les revendications, les termes « amont » et « aval » doivent s’entendre par rapport au dispositif de reconnaissance d’attitude, l’amont étant situé à gauche en référence à la figure 2 et l’aval étant situé à droite en référence à la figure 2.In the description and in the claims, the terms “upstream” and “downstream” must be understood with respect to the attitude recognition device, the upstream being located on the left with reference to FIG. 2 and the downstream being located right with reference to Figure 2.

L’atterrisseur (« lander » ou « rover » ou « hopper » en anglais), est une sonde fille d’exploration spatiale larguée depuis une sonde mère d’exploration spatiale (non représentée) en vue de se poser sur un corps céleste à explorer. La sonde mère se place le plus souvent en orbite autour du corps céleste à explorer et sert notamment de relais de communication entre l’atterrisseur et la Terre.The lander ("lander" or "rover" or "hopper" in English), is a space exploration daughter probe released from a space exploration mother probe (not shown) with a view to landing on a celestial body at explore. The mother probe is most often placed in orbit around the celestial body to be explored and serves in particular as a communication relay between the lander and the Earth.

On se réfère à la figure 1 illustrant un atterrisseur 1 selon l’invention au contact d’un sol 3 d’un corps céleste à explorer.Reference is made to FIG. 1 illustrating a lander 1 according to the invention in contact with a ground 3 of a celestial body to be explored.

Dans l’ensemble des figures, l’atterrisseur 1 est une sonde fille, par exemple un véhicule spatial conçu pour se déplacer sur le sol 3 du corps céleste à explorer. Un tel atterrisseur est désigné par le terme anglais « rover ».In all the figures, the lander 1 is a daughter probe, for example a space vehicle designed to move on the ground 3 of the celestial body to be explored. Such a lander is designated by the English term “rover”.

L’atterrisseur 1 désigne par ailleurs les sondes désignées par le terme anglais « landers », qui ne sont pas pourvues de capacités de déplacement, ainsi que les sondes désignées par le terme anglais « hoppers », qui sont équipées d’un dispositif leur permettant d’effectuer des sauts afin de pouvoir visiter d’autres sites que le site d’atterrissage initial.The lander 1 also designates the probes designated by the English term "landers", which are not provided with displacement capabilities, as well as the probes designated by the English term "hoppers", which are equipped with a device allowing them to make jumps in order to be able to visit sites other than the initial landing site.

Compte tenu de la distance élevée entre la Terre et les corps célestes susceptibles d’être explorés, la durée d’aller-retour des transmission radio rend peu pratique le pilotage direct en mode télécommandé des opérations de l’atterrisseur depuis la Terre. Par conséquent, l’atterrisseur est souvent conçu pour avoir un certain degré d’autonomie dans l’exécution de ses activités et dans la prise de décisions. Dans le cas « rover », le déplacement de l’atterrisseur 1 sur le sol 3 est assuré grâce à un ensemble de roues 5 et un algorithme de navigation embarqué à bord lui permet de se déplacer de manière autonome et ce en toute sécurité vers la cible désignée par les équipes sur Terre.Given the great distance between the Earth and the celestial bodies likely to be explored, the round trip time of radio transmissions makes it impractical to directly pilot the lander operations in remote mode from the Earth. Therefore, the lander is often designed to have a certain degree of autonomy in carrying out its activities and in making decisions. In the “rover” case, the movement of the undercarriage 1 on the ground 3 is ensured thanks to a set of wheels 5 and an on-board navigation algorithm allows it to move autonomously and in complete safety towards the target designated by teams on Earth.

Selon l’invention, l’atterrisseur 1 comporte un dispositif de reconnaissance d’attitude 7 de l’atterrisseur 1 qui a pour but de permettre au système de pilotage de l’atterrisseur 1 de déterminer par lui-même son attitude relativement au sol 3 après qu’il se soit stabilisé à la surface du corps céleste à explorer ou à tout moment de la mission lorsque le système de pilotage veut connaître l’attitude de l’atterrisseur, par exemple pour quantifier la raideur d’une pente et donc sa franchissabilité (cas « rover »).According to the invention, the lander 1 comprises an attitude recognition device 7 of the lander 1 whose purpose is to allow the piloting system of the lander 1 to determine by itself its attitude relative to the ground 3 after it has stabilized on the surface of the celestial body to be explored or at any time during the mission when the piloting system wants to know the attitude of the lander, for example to quantify the steepness of a slope and therefore its passability (“rover” case).

Pour des raisons de protection mécanique et de contrôle thermique, le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 est de manière préférée monté à l’intérieur d’un carter 9 de l’atterrisseur 1.For reasons of mechanical protection and thermal control, the attitude recognition device 7 is preferably mounted inside a casing 9 of the undercarriage 1.

On se réfère à la figure 2 illustrant le dispositif de reconnaissance d’attitude 7.Reference is made to FIG. 2 illustrating the attitude recognition device 7.

Le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 comporte une sphère 11, creuse. La sphère 11 comporte une paroi 13 apte à laisser passer au moins partiellement un flux lumineux à l’intérieur de son volume interne 15. A cet effet, la paroi 13 n’est donc pas opaque et est de préférence transparente. La paroi 13 de la sphère a préférentiellement reçu un traitement anti-reflets. A titre d’exemple, la sphère présente un rayon compris entre 2 et 6 cm, préférentiellement environ 4 cm. La sphère est fixe relativement au dispositif de reconnaissance d’attitude 7.The attitude recognition device 7 includes a hollow sphere 11 . The sphere 11 comprises a wall 13 capable of allowing a light flux to pass at least partially inside its internal volume 15. For this purpose, the wall 13 is therefore not opaque and is preferably transparent. The wall 13 of the sphere has preferentially received an anti-reflection treatment. By way of example, the sphere has a radius of between 2 and 6 cm, preferably about 4 cm. The sphere is fixed relative to the attitude recognition device 7.

La sphère 11 comporte dans son volume interne une bille 17, mobile à l’intérieur de la sphère. Le mouvement de la bille dans la sphère résulte de l’accélération subie par le dispositif de reconnaissance 7 lorsque l’atterrisseur 1 est soumis à une force, notamment son poids sous l’effet de la pesanteur. Afin d’éviter qu’elle endommage la sphère à cause des vibrations et des chocs auxquels l’atterrisseur est soumis lors des phases de lancement, de croisière et d’atterrissage, la bille 17 est relativement légère, par exemple 10 grammes. La bille 17 est préférentiellement réalisée dans un matériau non-électrostatique afin que les forces électrostatiques n’entravent pas ses mouvements à l’intérieur de la sphère 11.The sphere 11 comprises in its internal volume a ball 17, mobile inside the sphere. The movement of the ball in the sphere results from the acceleration undergone by the recognition device 7 when the lander 1 is subjected to a force, in particular its weight under the effect of gravity. In order to prevent it from damaging the sphere due to the vibrations and shocks to which the lander is subjected during the launch, cruise and landing phases, the ball 17 is relatively light, for example 10 grams. The ball 17 is preferably made of a non-electrostatic material so that the electrostatic forces do not hinder its movements inside the sphere 11.

Le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 comporte par ailleurs un dispositif d’acquisition d’images 19, fixe par rapport au dispositif de reconnaissance d’attitude 7.The attitude recognition device 7 also comprises an image acquisition device 19, fixed with respect to the attitude recognition device 7.

Dans le cadre de l’utilisation du dispositif de reconnaissance d’attitude 7 pour une mission spatiale, le dispositif d’acquisitions d’images 19 est spatialisé. On entend par « spatialisé » la caractéristique selon laquelle le dispositif est conçu pour être utilisé en environnement spatial. A cet effet, lorsqu’il est spatialisé, le dispositif d’acquisition d’images 19 est préférentiellement spécifiquement conçu pour une utilisation en milieu spatial et subit des tests de qualification permettant de valider sa tenue à l’environnement spatial. Le dispositif d’acquisition d’images 19 est ainsi qualifié de « spatialisé » lorsqu’il a été démontré qu’il est compatible notamment d’une utilisation en milieu présentant de forts niveaux de radiations, une très faible pression (vide spatial), des variations thermiques nombreuses et importantes (par exemple entre -50° et +70°C), des vibrations mécaniques et des chocs importants.In the context of the use of the attitude recognition device 7 for a space mission, the image acquisition device 19 is spatialized. “Spatialised” means the characteristic according to which the device is designed to be used in a space environment. For this purpose, when it is spatialized, the image acquisition device 19 is preferably specifically designed for use in a space environment and undergoes qualification tests making it possible to validate its resistance to the space environment. The image acquisition device 19 is thus qualified as “spatialized” when it has been demonstrated that it is compatible in particular with use in an environment with high levels of radiation, very low pressure (space vacuum), numerous and significant thermal variations (for example between -50° and +70°C), mechanical vibrations and significant shocks.

Lorsqu’il est spatialisé, le dispositif d’acquisition d’images 19 peut être obtenu par une caméra spatialisée numérique, ou par une caméra spatialisée analogique associée à un digitaliseur d’images (« frame grabber » en anglais) également spatialisé. La caméra est associée à un objectif (optique) spatialisé dont les caractéristiques (focale, ouverture, tirage optique...) sont adaptées au besoin d’acquisition d’images nettes de l’intégralité de la sphère et de la bille.When it is spatialized, the image acquisition device 19 can be obtained by a digital spatialized camera, or by an analog spatialized camera associated with an image digitizer (“frame grabber” in English) also spatialized. The camera is associated with a spatialized (optical) lens whose characteristics (focal length, aperture, back focus, etc.) are adapted to the need for acquiring sharp images of the entire sphere and ball.

Le dispositif d’acquisition d’images 19 est agencé dans le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 pour acquérir une image bidimensionnelle de la bille 17 et de la sphère 11, comme on va le voir dans la suite de la description illustrant l’atterrisseur 1 sur le sol 3 du corps à explorer dans différentes attitudes. A cet effet, la distance entre le dispositif d’acquisition d’images 19 et la sphère 11 est préférentiellement de l’ordre de quelques centimètres, de façon à obtenir une image nette de la bille, tout en optimisant la compacité du dispositif de reconnaissance d’attitude. A titre indicatif, le dispositif d’acquisition d’images 19 peut se présenter sous la forme d’un parallélépipède de 2 cm x 2 cm x 4 cm.The image acquisition device 19 is arranged in the attitude recognition device 7 to acquire a two-dimensional image of the ball 17 and the sphere 11, as will be seen in the following description illustrating the lander 1 on the floor 3 of the body to explore in different attitudes. For this purpose, the distance between the image acquisition device 19 and the sphere 11 is preferably of the order of a few centimeters, so as to obtain a clear image of the ball, while optimizing the compactness of the recognition device attitude. As an indication, the image acquisition device 19 can be in the form of a parallelepiped of 2 cm x 2 cm x 4 cm.

Afin d’améliorer la précision des mesures, une phase de calibration du dispositif d’acquisition d’images 19 suivant l’état de l’art est effectuée au préalable de son utilisation opérationnelle. La calibration permet de définir les paramètres intrinsèques et extrinsèques du dispositif d’acquisition d’images 19 en vue de rectifier les distorsions géométriques et d’alignement des images produites. Cette phase peut éventuellement être omise si la qualité du design et la réalisation du dispositif d’acquisition d’images le permet (très faible distorsion géométrique, excellents tolérancements et alignements opto-mécaniques...).In order to improve the precision of the measurements, a calibration phase of the image acquisition device 19 according to the state of the art is carried out prior to its operational use. The calibration makes it possible to define the intrinsic and extrinsic parameters of the image acquisition device 19 with a view to rectifying the geometric and alignment distortions of the images produced. This phase can possibly be omitted if the quality of the design and the realization of the image acquisition device allows it (very low geometric distortion, excellent tolerances and opto-mechanical alignments...).

Afin de pouvoir faire des acquisitions d’images dans des conditions d’éclairage constantes et maîtrisées, le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 comporte en outre un dispositif d’émission d’un flux lumineux 21.In order to be able to acquire images under constant and controlled lighting conditions, the attitude recognition device 7 further comprises a device for emitting a luminous flux 21.

Le dispositif d’émission d’un flux lumineux 21 est agencé dans le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 de façon à émettre un flux lumineux en direction de la sphère 11. La puissance lumineuse du dispositif d’émission d’un flux lumineux 21 est calculée et choisie de sorte qu’elle permette au dispositif d’acquisition d’images 19 d’acquérir des images de la sphère 11 et de la bille 17 qui soient exploitables par un dispositif de traitement d’images décrit dans la suite de la description. Une image est dite « exploitable » lorsque la luminosité de l’image de la sphère 11 et de la bille 17 est telle que la sphère 11 et la bille 17 sont visibles dans l’image que le dispositif d’acquisition d’images 19 acquiert et que l’image n’est ni sous-exposée ni surexposée. Dans la suite de la description, on donne à titre non limitatif des exemples de réalisation du dispositif d’émission d’un flux lumineux 21 ainsi que des exemples de l’agencement du dispositif d’émission d’un flux lumineux 21 dans le dispositif de reconnaissance d’attitude 7.The device for emitting a luminous flux 21 is arranged in the attitude recognition device 7 so as to emit a luminous flux in the direction of the sphere 11. The luminous power of the device for emitting a luminous flux 21 is calculated and chosen so that it allows the image acquisition device 19 to acquire images of the sphere 11 and of the ball 17 which can be used by an image processing device described later in the description. An image is said to be “usable” when the luminosity of the image of the sphere 11 and of the ball 17 is such that the sphere 11 and the ball 17 are visible in the image that the image acquisition device 19 acquires and that the image is neither underexposed nor overexposed. In the remainder of the description, examples of embodiments of the device 21 for emitting a light flux are given, as well as examples of the arrangement of the device for emitting a luminous flux 21 in the device. attitude recognition 7.

Selon l’invention, le dispositif d’acquisition d’images 19 est relié à un dispositif de traitement d’images 23.According to the invention, the image acquisition device 19 is connected to an image processing device 23.

Le dispositif de traitement d’images 23 est piloté par un algorithme de traitement d’images et est conçu pour piloter le dispositif d’émission d’un flux lumineux 21, pour piloter le dispositif d’acquisition d’images 19, pour récupérer une image acquise par le dispositif d’acquisition d’images 19, pour rectifier ladite image et pour déterminer à partir de l’image rectifiée le vecteur gravité ayant pour origine le centre OSde la sphère 11 et pour extrémité le centre OBde la bille 17.The image processing device 23 is driven by an image processing algorithm and is designed to drive the device for emitting a luminous flux 21, to drive the image acquisition device 19, to recover a image acquired by the image acquisition device 19, to rectify said image and to determine from the rectified image the gravity vector having the center O S of the sphere 11 as its origin and the center O B of the ball 17 as its end.

L’ensemble formé par le dispositif d’acquisition d’images 19, la sphère 11, à l’intérieur de laquelle est montée la bille 17, le dispositif d’émission d’un flux lumineux 21 peut être monté à l’intérieur d’un boîtier 25 du dispositif de reconnaissance d’attitude 7.The assembly formed by the image acquisition device 19, the sphere 11, inside which the ball 17 is mounted, the device for emitting a luminous flux 21 can be mounted inside a box 25 of the attitude recognition device 7.

Dans ce cas, la sphère 11 est montée dans le boîtier 25 en aval par rapport au dispositif d’acquisition d’images 19, et le dispositif d’émission d’un flux lumineux 21 est monté en amont par rapport à la sphère 11.In this case, the sphere 11 is mounted in the housing 25 downstream with respect to the image acquisition device 19, and the device for emitting a luminous flux 21 is mounted upstream with respect to the sphere 11.

Le dispositif d’émission d’un flux lumineux 21 comporte préférentiellement un ensemble de diodes électroluminescentes 27, dites « amont », en raison de leurs localisations dans le boîtier 25. L’ensemble de diodes électroluminescentes amont 27 est toutefois de préférence monté en aval par rapport au dispositif d’acquisition d’images 19. Les diodes électroluminescentes amont 27 peuvent par exemple être réparties dans le boîtier de façon à former un cercle contenu dans un plan (XY) en référence au trièdre direct (X, Y, Z) représenté à la figure 2. D’autres sources lumineuses peuvent également être envisagées à la place des diodes électroluminescentes (par exemple ampoules à incandescence, sources fluorescentes...) mais leurs robustesse, masse et rendement énergétique sont généralement moins bien adaptées à une mission spatiale.The device 21 for emitting a luminous flux preferably comprises a set of light-emitting diodes 27, called "upstream", because of their locations in the housing 25. The set of upstream light-emitting diodes 27 is however preferably mounted downstream with respect to the image acquisition device 19. The upstream light-emitting diodes 27 can for example be distributed in the housing so as to form a circle contained in a plane (XY) with reference to the direct trihedron (X, Y, Z) represented in Figure 2. Other light sources can also be considered instead of light-emitting diodes (for example incandescent bulbs, fluorescent sources, etc.), but their robustness, mass and energy efficiency are generally less well suited to a mission spatial.

Le boîtier 25 adopte par exemple une forme parallélépipédique. La bille 17 a de préférence une couleur différente de celle des parois internes du boîtier 25. De manière préférée, la bille 17 a une couleur relativement claire, telle que du blanc, de préférence mat. Les parois internes du boîtier 25 ont de préférence une couleur sombre telle que le noir, de préférence mat, ceci afin de rendre davantage exploitables les images acquises de la sphère 11 et de la bille 17. La bille et les parois peuvent si nécessaire être peintes pour obtenir les couleurs requises.The housing 25 adopts for example a parallelepiped shape. The ball 17 preferably has a color different from that of the internal walls of the housing 25. Preferably, the ball 17 has a relatively light color, such as white, preferably matte. The internal walls of the box 25 preferably have a dark color such as black, preferably matte, in order to make the acquired images of the sphere 11 and the ball 17 more usable. The ball and the walls can be painted if necessary. to get the required colors.

Le dispositif de traitement d’images 23 est préférentiellement monté à l’intérieur du boîtier 25 ce qui permet de rendre le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 autonome. En variante, le dispositif de traitement d’images 23 peut être intégré au dispositif d’acquisition d’images 19. En variante, le dispositif de traitement d’images 23 peut être physiquement déporté du dispositif de reconnaissance d’attitude 7 auquel cas, il est par exemple intégré dans le calculateur bord de l’atterrisseur 1.The image processing device 23 is preferably mounted inside the casing 25 which makes it possible to make the attitude recognition device 7 autonomous. As a variant, the image processing device 23 can be integrated into the image acquisition device 19. As a variant, the image processing device 23 can be physically remote from the attitude recognition device 7 in which case, it is for example integrated into the on-board computer of the lander 1.

Le dispositif de traitement d’images 23 est constitué au choix d’un microcontrôleur, d’un microprocesseur, d’un réseau de portes programmablesin situdésigné par l’acronyme anglais « FPGA » pour « Field-Programmable Gate Array » ou d’un circuit intégré propre à une application désigné par l’acronyme anglais « ASIC » pour « Application-Specific Integrated Circuit » ainsi que des composants électroniques associés et, le cas échéant, du logiciel nécessaires à son bon fonctionnement, au pilotage du dispositif d’émission d’un flux lumineux 21, au pilotage du dispositif d’acquisition d’images 19 et aux communications avec le calculateur bord de l’atterrisseur 1.The image processing device 23 consists of a choice of a microcontroller, a microprocessor, an array of in situ programmable gates designated by the acronym "FPGA" for "Field-Programmable Gate Array" or an integrated circuit specific to an application designated by the acronym “ASIC” for “Application-Specific Integrated Circuit” as well as the associated electronic components and, where applicable, the software necessary for its proper functioning, for controlling the device of emission of a luminous flux 21, the control of the image acquisition device 19 and the communications with the computer on board the lander 1.

Dans le cadre de l’utilisation du dispositif de reconnaissance d’attitude 7 pour une mission spatiale, le dispositif de traitement d’images 23 est spatialisé, au même titre que le dispositif d’acquisition d’images 19 et le dispositif d’émission d’un flux lumineux 21.In the context of the use of the attitude recognition device 7 for a space mission, the image processing device 23 is spatialized, in the same way as the image acquisition device 19 and the transmission device of a luminous flux 21.

Dans l’exemple donné aux figures 3 à 5, l’atterrisseur 1 (dans sa version « rover ») s’est stabilisé sur le sol 3 à l’endroit, c’est-à-dire que les roues 5 de l’atterrisseur 1 reposent sur le sol 3 qui, lui, est plat (le vecteur gravité est perpendiculaire au sol et dirigé vers le sol).In the example given in FIGS. 3 to 5, the lander 1 (in its "rover" version) is stabilized on the ground 3 upright, that is to say that the wheels 5 of the undercarriage 1 rest on the ground 3 which itself is flat (the gravity vector is perpendicular to the ground and directed towards the ground).

Lorsque l’atterrisseur 1 s’est stabilisé sur le corps à explorer, la bille 17 finit par se stabiliser au contact de la face interne de la paroi 13 de la sphère 11, sous l’effet de la gravité, comme visible à la figure 4 qui représente le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 de manière simplifiée, le dispositif d’émission d’un flux lumineux 21 et le dispositif de traitement d’images 23 n’étant pas représentés.When the lander 1 has stabilized on the body to be explored, the ball 17 ends up stabilizing in contact with the internal face of the wall 13 of the sphere 11, under the effect of gravity, as visible in the figure 4 which represents the attitude recognition device 7 in a simplified manner, the device for emitting a luminous flux 21 and the image processing device 23 not being represented.

La figure 5 illustre l’image 29 acquise par le dispositif d’acquisition d’images 19 lorsque l’atterrisseur 1 se trouve selon l’attitude représentée à la figure 3. On note que la bille 17 se trouve en bas de l’image 29, ce qui traduit le fait que l’atterrisseur 1 a son dos orienté vers le haut, que la bille se trouve sur l’axe Y, ce qui traduit le fait que l’atterrisseur n’est pas incliné vers sa droite ou sa gauche et enfin que la bille est en contact avec le cercle représentant l’image de la sphère 11, ce qui traduit le fait que l’atterrisseur 1 n’est pas non plus incliné vers l’avant ou l’arrière. De l’image on peut déduire que l’atterrisseur 1 est donc correctement posé sur ses roues et qu’il est bien à plat.FIG. 5 illustrates the image 29 acquired by the image acquisition device 19 when the lander 1 is in the attitude represented in FIG. 3. It is noted that the ball 17 is at the bottom of the image 29, which reflects the fact that the undercarriage 1 has its back oriented upwards, that the ball is on the Y axis, which reflects the fact that the undercarriage is not inclined to its right or its left and finally that the ball is in contact with the circle representing the image of the sphere 11, which reflects the fact that the undercarriage 1 is not tilted forwards or backwards either. From the image we can deduce that the lander 1 is therefore correctly placed on its wheels and that it is flat.

On se réfère aux figures 6 à 8 qui donnent un autre exemple d’attitude de l’atterrisseur 1, toujours dans sa version « rover ». L’attitude de l’atterrisseur 1 par rapport au sol est telle que l’atterrisseur 1 a atterri sur le dos, c’est-à-dire qu’il repose sur sa face supérieure 30, les roues 5 n’étant pas au contact du sol. Par ailleurs la face supérieure 30 de l’atterrisseur 1 n’est pas perpendiculaire au vecteur gravité, soit parce que le sol est localement en pente soit parce que l’atterrisseur n’est pas posé à plat sur le sol par exemple à cause de la présence de cailloux.We refer to figures 6 to 8 which give another example of the attitude of the lander 1, still in its "rover" version. The attitude of the undercarriage 1 with respect to the ground is such that the undercarriage 1 has landed on its back, that is to say it is resting on its upper face 30, the wheels 5 not being at the ground contact. Furthermore, the upper face 30 of the undercarriage 1 is not perpendicular to the gravity vector, either because the ground is locally sloping or because the undercarriage is not placed flat on the ground, for example because of the presence of stones.

La figure 7 illustre (en vue simplifiée, seuls la sphère 11, la bille 17 et le dispositif d’acquisition d’images 19 étant représentés) le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 lorsque l’atterrisseur 1 se trouve selon l’attitude représentée à la figure 6.FIG. 7 illustrates (in a simplified view, only the sphere 11, the ball 17 and the image acquisition device 19 being represented) the attitude recognition device 7 when the lander 1 is in the attitude represented in Figure 6.

La figure 8 illustre l’image 29 acquise par le dispositif d’acquisition d’images 19 lorsque l’atterrisseur 1 se trouve selon l’attitude représentée à la figure 6. On note que la bille 17 se trouve en haut de l’image 29, ce qui traduit le fait que l’atterrisseur 1 est posé sur son dos, que la bille se trouve sur l’axe Y, ce qui traduit le fait que l’atterrisseur n’est pas incliné vers sa droite ou sa gauche, et enfin que la bille n’est pas en contact avec le cercle représentant la sphère 11 ce qui traduit le fait que l’atterrisseur 1 est par ailleurs incliné vers l’avant ou l’arrière.FIG. 8 illustrates image 29 acquired by image acquisition device 19 when lander 1 is in the attitude shown in FIG. 6. Note that ball 17 is at the top of the image 29, which translates the fact that the lander 1 is placed on its back, that the ball is on the Y axis, which translates the fact that the lander is not inclined towards its right or its left, and finally that the ball is not in contact with the circle representing the sphere 11 which reflects the fact that the landing gear 1 is also inclined forwards or backwards.

On se réfère à présent aux figures 9 à 11 donnant un autre exemple d’attitude de l’atterrisseur 1, toujours dans sa version « rover ».Reference is now made to Figures 9 to 11 giving another example of the attitude of the lander 1, still in its “rover” version.

L’attitude de l’atterrisseur 1 par rapport au sol est telle que l’atterrisseur 1 a atterri sur son flanc gauche, c’est-à-dire qu’il repose sur sa face latérale gauche.The attitude of Lander 1 relative to the ground is such that Lander 1 has landed on its left side, i.e. it is resting on its left side face.

La figure 10 illustre (en vue simplifiée, seuls la sphère 11, la bille 17 et le dispositif d’acquisition d’images 19 étant représentés) le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 lorsque l’atterrisseur 1 se trouve selon l’attitude représentée à la figure 9.FIG. 10 illustrates (in a simplified view, only the sphere 11, the ball 17 and the image acquisition device 19 being represented) the attitude recognition device 7 when the lander 1 is in the attitude represented in Figure 9.

La figure 11 illustre l’image 29 acquise par le dispositif d’acquisition d’images 19 lorsque l’atterrisseur 1 se trouve selon l’attitude représentée à la figure 9. On note que la bille 17 se trouve à gauche de l’image 29, ce qui traduit le fait que l’atterrisseur 1 est incliné vers sa gauche, que la bille se trouve sur l’axe X, ce qui traduit le fait que l’atterrisseur n’est pas également incliné vers l’avant ou l’arrière, et enfin que la bille est en contact avec le cercle représentant la sphère 11, ce qui traduit le fait que le flanc gauche de l’atterrisseur est perpendiculaire au vecteur gravité.FIG. 11 illustrates the image 29 acquired by the image acquisition device 19 when the lander 1 is in the attitude represented in FIG. 9. It is noted that the ball 17 is on the left of the image 29, which reflects the fact that the undercarriage 1 is tilted to its left, that the ball is on the X axis, which reflects the fact that the undercarriage is not also tilted forward or l rear, and finally that the ball is in contact with the circle representing the sphere 11, which reflects the fact that the left side of the undercarriage is perpendicular to the gravity vector.

Comme on le comprend des figures 3 à 11, l’identification de la direction du vecteur gravité peut être obtenue sur 4 Pi stéradians, c’est-à-dire sur 720°, ce qui permet donc au dispositif de reconnaissance d’attitude 7 de l’invention de déterminer la direction du vecteur gravité quelle que soit l’attitude de l’atterrisseur 1 par rapport au sol 3.As understood from FIGS. 3 to 11, the identification of the direction of the gravity vector can be obtained over 4 Pi steradians, that is to say over 720°, which therefore allows the attitude recognition device 7 of the invention to determine the direction of the gravity vector whatever the attitude of the lander 1 with respect to the ground 3.

On se réfère aux figures 12 et 13 afin d’expliquer les étapes du procédé de reconnaissance d’attitude de l’atterrisseur 1 mis en œuvre par le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 selon l’invention.Reference is made to FIGS. 12 and 13 in order to explain the steps of the method for recognizing the attitude of the lander 1 implemented by the attitude recognition device 7 according to the invention.

La figure 12 illustre une modélisation du système de reconnaissance d’attitude 7. Après calibration du dispositif d’acquisition d’images 19, celui-ci peut être modélisé par un centre de projection OLet un plan image 31 situé à la distance focale f en aval du centre de projection OLet en amont de la sphère 11.FIG. 12 illustrates a modeling of the attitude recognition system 7. After calibration of the image acquisition device 19, the latter can be modeled by a projection center O L and an image plane 31 located at the focal distance f downstream from the center of projection O L and upstream from the sphere 11.

Le rayon de lumière 33 reliant le centre de projection OLau centre de la sphère OSest l’axe principal du système. Il traverse le plan image 31 au point principal OI.The ray of light 33 connecting the center of projection O L to the center of the sphere O S is the main axis of the system. It crosses the image plane 31 at the main point O I .

Le rayon de lumière 35 reliant le centre de projection OLau centre OBde la bille 17 coupe le plan image 31 en un point PB. Le point PBest donc le point de l’image correspondant au centre de la bille 17.The ray of light 35 connecting the center of projection O L to the center O B of the ball 17 intersects the image plane 31 at a point P B . The point P B is therefore the point of the image corresponding to the center of the ball 17.

On précise que le lieu géométrique décrit par l’ensemble des positions possibles du centre de la bille 17 lorsque celle-ci est en contact avec la sphère 11 est une sphère « virtuelle » 37 de centre OSidentique à celui de la sphère 11 et de rayon R = (Rs- RB), avec Rsrayon de la sphère 11 et RBrayon de la bille 17.It is specified that the locus described by all of the possible positions of the center of the ball 17 when the latter is in contact with the sphere 11 is a "virtual" sphere 37 of center O S identical to that of the sphere 11 and of radius R = (R s - R B ), with R s radius of the sphere 11 and R B radius of the ball 17.

L’ensemble des étapes ci-après visent à déterminer la direction du vecteur gravité (ou accélération) à partir de l’image de la bille 17 acquise par le dispositif d’acquisition d’images 19.All of the steps below aim to determine the direction of the gravity vector (or acceleration) from the image of the ball 17 acquired by the image acquisition device 19.

La première étape du procédé de reconnaissance d’attitude de l’atterrisseur 1 vise à définir un repère orthonormé direct tridimensionnel (O, X, Y, Z) ayant pour origine O le centre Osde la sphère 11 et ayant le vecteur directeur de l’axe Z qui pointe vers le centre de projection OL.The first step of the method for recognizing the attitude of the lander 1 aims to define a three-dimensional direct orthonormal reference (O, X, Y, Z) having as its origin O the center O s of the sphere 11 and having the director vector of the Z axis which points to the center of projection O L .

Dans ce repère (O, X, Y, Z) : les coordonnées (XL, YL, ZL) du centre de projection OLsont (0, 0, ZL), ZLétant la distance entre OL, le centre de projection, et OS, le centre de la sphère 11. Le plan image 31 est parallèle au plan (O, X, Y) et sa coordonnée Z est égale à (ZL-f), f étant la distance focale du dispositif d’acquisition d’images 19. Les coordonnées du centre OBde la bille 17 sont (XB, YB, ZB) et varient en fonction de la position de la bille dans la sphère.In this coordinate system (O, X, Y, Z): the coordinates (X L , Y L , Z L ) of the center of projection O L are (0, 0, Z L ), Z L being the distance between O L , the center of projection, and O S , the center of the sphere 11. The image plane 31 is parallel to the plane (O, X, Y) and its Z coordinate is equal to (Z L -f), f being the focal distance of the image acquisition device 19. The coordinates of the center O B of the ball 17 are (X B , Y B , Z B ) and vary according to the position of the ball in the sphere.

Selon une deuxième étape du procédé de l’invention, on acquiert, grâce au dispositif d’acquisition d’images 19, une image 29 (représentée aux figures 5, 8 et 11) sur laquelle la sphère 11 et la bille 17 sont visibles. Le dispositif d’acquisition d’images 19 communique ensuite au dispositif de traitement d’images 21 l’image bidimensionnelle acquise.According to a second step of the method of the invention, an image 29 (shown in FIGS. 5, 8 and 11) is acquired, thanks to the image acquisition device 19, on which the sphere 11 and the ball 17 are visible. The image acquisition device 19 then communicates to the image processing device 21 the acquired two-dimensional image.

Selon une troisième étape du procédé de l’invention, le dispositif de traitement d’images 21 effectue la rectification de l’image acquise. Cette étape vise à utiliser les résultats de la calibration du dispositif d’acquisition d’images 19 pour corriger les distorsions géométriques de l’image.According to a third step of the method of the invention, the image processing device 21 carries out the rectification of the acquired image. This step aims to use the results of the calibration of the image acquisition device 19 to correct the geometric distortions of the image.

Selon une quatrième étape du procédé de l’invention, on identifie la bille 17 dans l’image 29 acquise et rectifiée. Pour ce faire, dans le cas où la bille 17 est de couleur blanche et les parois internes du boîtier 25 sont de couleur noire, l’algorithme de traitement d’images du dispositif de traitement d’images 23 peut avantageusement être conçu pour rechercher le groupe de pixels connexes le plus lumineux de l’image, correspondant à la bille 17.According to a fourth step of the method of the invention, the ball 17 is identified in the image 29 acquired and rectified. To do this, in the case where the ball 17 is white in color and the internal walls of the housing 25 are black in color, the image processing algorithm of the image processing device 23 can advantageously be designed to search for the group of brightest connected pixels in the image, corresponding to ball 17.

Selon une cinquième étape du procédé de l’invention, l’algorithme de traitement d’images du dispositif de traitement d’images 23 identifie les coordonnées images (ub, vb), en pixels et fractions de pixels, du centre de la bille.According to a fifth step of the method of the invention, the image processing algorithm of the image processing device 23 identifies the image coordinates (u b , v b ), in pixels and fractions of pixels, of the center of the ball.

Pour ce faire, l’algorithme de traitement d’images du dispositif de traitement d’images 23 peut avantageusement être conçu pour calculer les coordonnées du barycentre des pixels identifiés comme appartenant à la bille 17 à la quatrième étape.To do this, the image processing algorithm of the image processing device 23 can advantageously be designed to calculate the coordinates of the barycenter of the pixels identified as belonging to the ball 17 in the fourth step.

Selon une sixième étape du procédé de l’invention, on associe à l’image 29 acquise un repère orthonormé direct bidimensionnel (OI, X, Y) à partir du repère orthonormé direct tridimensionnel (O, X, Y, Z). Le repère (OI, X, Y) est défini de façon à former un repère orthonormé direct vu par le dispositif d’acquisition d’images 19 dont le centre OIdu repère (OI, X, Y) correspond au centre O du repère (O, X, Y, Z), donc au centre Osde la sphère 11. Les points OL, OIet O sont donc tous les trois situés sur l’axe principal défini par le rayon de lumière 33.According to a sixth step of the method of the invention, a two-dimensional direct orthonormal reference (O I , X, Y) is associated with the acquired image 29 from the three-dimensional direct orthonormal reference (O, X, Y, Z). The marker (O I , X, Y) is defined so as to form a direct orthonormal marker seen by the image acquisition device 19 whose center O I of the marker (O I , X, Y) corresponds to the center O of the reference (O, X, Y, Z), therefore at the center O s of the sphere 11. The points O L , O I and O are therefore all three located on the main axis defined by the ray of light 33.

Selon une septième étape du procédé de l’invention, on identifie, dans l’image 29 acquise et rectifiée, les coordonnées (Xb, Yb) du centre OBde la bille 17 dans le repère orthonormé direct bidimensionnel (OI, X, Y) à partir des coordonnées images (ub, vb), de la dimension physique des pixels de la caméra et des coordonnées images (uo, vo) du point OI.According to a seventh step of the method of the invention, the coordinates (X b , Y b ) of the center O B of the ball 17 in the two-dimensional direct orthonormal frame (O I , X, Y) from the image coordinates (u b , v b ), the physical dimension of the pixels of the camera and the image coordinates (u o , v o ) of the point O I .

On se réfère à la figure 13 qui illustre, sur une coupe longitudinale du modèle du dispositif de reconnaissance d’attitude 7, le fait que pour une position donnée de la bille 17 dans l’image 29, en général deux positions de la bille 17 dans la sphère 11 sont possibles. On note qu’il existe cependant un ensemble de positions de la bille 17 dans l’image 29 pour lesquelles seule une position de la bille 17 dans la sphère 11 est possible.Reference is made to FIG. 13 which illustrates, on a longitudinal section of the model of the attitude recognition device 7, the fact that for a given position of the ball 17 in the image 29, in general two positions of the ball 17 in the sphere 11 are possible. Note that there is however a set of positions of ball 17 in image 29 for which only one position of ball 17 in sphere 11 is possible.

Selon une huitième étape du procédé de l’invention, on calcule dans le repère tridimensionnel (O, X, Y, Z) les coordonnées (XB1, YB1, ZB1) et (XB2, YB2, ZB2) des deux positions possibles de la bille correspondant aux coordonnées (Xb, Yb) du centre OBde la bille 17 dans le repère orthonormé direct bidimensionnel (OI, X, Y).According to an eighth step of the method of the invention, the coordinates (X B1 , Y B1 , Z B1 ) and (X B2 , Y B2 , Z B2 ) of the two possible positions of the ball corresponding to the coordinates (X b , Y b ) of the center O B of the ball 17 in the two-dimensional direct orthonormal frame (O I , X, Y).

Le calcul des coordonnées (XB1, YB1, ZB1) est par exemple obtenu en appliquant les formules suivantes :The calculation of the coordinates (X B1 , Y B1 , Z B1 ) is for example obtained by applying the following formulas:

Le calcul des coordonnées (XB2, YB2, ZB2) est par exemple obtenu en appliquant les formules suivantes :The calculation of the coordinates (X B2 , Y B2 , Z B2 ) is for example obtained by applying the following formulas:

f étant la focale du système d’acquisition d’images 19,f being the focal length of the image acquisition system 19,

ZLla distance entre OSle centre de la sphère 11 et le centre de projection OLdu système d’acquisitions d’images 19 etZ L the distance between O S the center of the sphere 11 and the center of projection O L of the image acquisition system 19 and

R = (RS– RB), différence entre le rayon de la sphère 11 et le rayon de la bille 17.R = (R S – R B ), difference between the radius of the sphere 11 and the radius of the ball 17.

Le procédé de l’invention comporte une neuvième et une dixième étape selon lesquelles on détermine lequel des deux jeux de coordonnées tridimensionnelles (XB1, YB1, ZB1) et (XB2, YB2, ZB2) est celui qui correspond à la position réelle de la bille 17 dans la sphère 11.The method of the invention comprises a ninth and a tenth step according to which it is determined which of the two sets of three-dimensional coordinates (X B1 , Y B1 , Z B1 ) and (X B2 , Y B2 , Z B2 ) is the one which corresponds to the actual position of ball 17 in sphere 11.

Pour ce faire, selon la neuvième étape du procédé de l’invention, l’algorithme de traitement calcule la valeur de la surface apparente de la bille 17 dans l’image 29 acquise. Selon la dixième étape du procédé de l’invention, l’algorithme de traitement compare la valeur de la surface apparente de la bille 17 à une valeur ou un ensemble de valeurs de calibration préalablement obtenue(s) lors d’une phase d’étalonnage du dispositif de reconnaissance d’attitude 7.To do this, according to the ninth step of the method of the invention, the processing algorithm calculates the value of the apparent surface of the ball 17 in the acquired image 29. According to the tenth step of the method of the invention, the processing algorithm compares the value of the apparent surface of the ball 17 with a value or a set of calibration values previously obtained during a calibration phase of the attitude recognition device 7.

Les deux positions tridimensionnelles possibles de la bille 17 se trouvant sur le rayon de lumière 35 passant par le centre de projection OLet le point PB, intersection entre le rayon de lumière 35 et le plan image 31, on obtient une position OB1pour laquelle la bille 17 est plus proche du centre de projection OLet une position OB2pour laquelle la bille 17 est plus éloignée de OL. Du fait de la projection perspective, lorsque la bille 17 est plus rapprochée du centre de projection OL, la surface apparente de la bille 17 dans l’image 29 est supérieure à la surface apparente de la bille 17 dans l’image 29 que l’on obtient lorsque la bille 17 est plus éloignée du centre de projection OL.The two possible three-dimensional positions of the ball 17 being on the ray of light 35 passing through the center of projection O L and the point P B , intersection between the ray of light 35 and the image plane 31, a position O B1 is obtained for which the ball 17 is closer to the center of projection O L and a position O B2 for which the ball 17 is farther from O L . Due to the perspective projection, when the ball 17 is closer to the center of projection O L , the apparent surface of the ball 17 in the image 29 is greater than the apparent surface of the ball 17 in the image 29 than the is obtained when the ball 17 is further from the center of projection O L .

Ainsi, l’étape selon laquelle on compare la valeur de la surface apparente de la bille 17 à une valeur ou à un ensemble de valeurs de calibration préalablement obtenue(s) lors de la phase de calibration du dispositif de reconnaissance d’attitude 7 permet de déterminer si la bille 17 est dans la position plus proche ou plus éloignée du centre de projection OLet ainsi de déterminer lequel des deux jeux de coordonnées tridimensionnelles calculés à la huitième étape est le bon (dixième étape du procédé selon l’invention).Thus, the step according to which the value of the apparent surface of the ball 17 is compared to a value or to a set of calibration values previously obtained during the calibration phase of the attitude recognition device 7 allows to determine whether the ball 17 is in the position closer or further from the center of projection O L and thus to determine which of the two sets of three-dimensional coordinates calculated in the eighth step is the correct one (tenth step of the method according to the invention) .

Dans le cas particulier mentionné précédemment où seule une position de la bille correspond aux coordonnées (Xb, Yb) du centre OBde la bille 17 dans le repère orthonormé direct bidimensionnel (OI, X, Y), on a XB1= XB2, YB1= YB2et ZB1= ZB2et les étapes 9 et 10 peuvent être omises.In the particular case mentioned previously where only one position of the ball corresponds to the coordinates (X b , Y b ) of the center O B of the ball 17 in the two-dimensional direct orthonormal frame (O I , X, Y), we have X B1 = X B2 , Y B1 = Y B2 and Z B1 = Z B2 and steps 9 and 10 can be omitted.

Selon une onzième étape du procédé de l’invention, l’algorithme déduit le vecteur gravité (ou accélération), dont son origine est donnée par le centre OSde la sphère 11 et son extrémité est donnée par les coordonnées (XB, YB, ZB) du centre OBde la bille 17 dans le repère orthonormé direct (O, X, Y, Z), déterminées à l’issue de la dixième étape du procédé ou à l’issue de la huitième étape du procédé dans le cas particulier où seule une position tridimensionnelle de la bille 17 dans la sphère 11 correspond à la position bidimensionnelle de la bille 17 dans l’image 29.According to an eleventh step of the method of the invention, the algorithm deduces the gravity vector (or acceleration), whose origin is given by the center O S of the sphere 11 and its end is given by the coordinates (X B , Y B , Z B ) of the center O B of the ball 17 in the direct orthonormal frame (O, X, Y, Z), determined at the end of the tenth step of the method or at the end of the eighth step of the method in the particular case where only a three-dimensional position of the ball 17 in the sphere 11 corresponds to the two-dimensional position of ball 17 in image 29.

On se réfère à présent à la figure 14 qui illustre le fait que pour certaines attitudes du dispositif de reconnaissance d’attitude 7 les deux positions de la bille 17 dans la sphère 11 correspondant à la position de la bille 17 dans l’image 29 peuvent être très proches les unes des autres, rendant ainsi potentiellement difficile le choix entre les deux jeux de coordonnées tridimensionnelles possibles par analyse de la surface apparente de la bille dans l’image. Pour la plupart des missions, on peut avantageusement traiter ce cas en calculant le barycentre des deux positions. Cependant, pour les missions pour lesquelles on souhaite améliorer la précision des mesures lorsqu’une situation telle que celle illustrée dans la figure 14 se présente, le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 peut être obtenu selon un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 15 à laquelle on se réfère à présent, montrant le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 en coupe longitudinale.Reference is now made to FIG. 14 which illustrates the fact that for certain attitudes of the attitude recognition device 7 the two positions of the ball 17 in the sphere 11 corresponding to the position of the ball 17 in the image 29 can be very close to each other, thus making it potentially difficult to choose between the two sets of possible three-dimensional coordinates by analyzing the apparent surface of the ball in the image. For most missions, this case can advantageously be handled by calculating the barycenter of the two positions. However, for missions for which it is desired to improve the precision of the measurements when a situation such as that illustrated in FIG. 14 arises, the attitude recognition device 7 can be obtained according to a second embodiment illustrated in FIG. 15 to which reference is now made, showing the attitude recognition device 7 in longitudinal section.

Dans ce deuxième mode réalisation, le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 comporte en outre un diaphragme 39, fixe par rapport au dispositif de reconnaissance d’attitude 7.In this second embodiment, the attitude recognition device 7 further comprises a diaphragm 39, fixed with respect to the attitude recognition device 7.

Le diaphragme 39 s’étend radialement depuis une face extérieure de la paroi 13 de la sphère 11. Plus précisément, le diaphragme 39 contient un plan (XY) de la sphère 11, qui s’étend de façon sensiblement orthogonale à un axe longitudinal 41 du boîtier, de sorte que le diaphragme 39 définit un compartiment amont 43 du boîtier et un compartiment aval 45 du boîtier 25.The diaphragm 39 extends radially from an outer face of the wall 13 of the sphere 11. More specifically, the diaphragm 39 contains a plane (XY) of the sphere 11, which extends substantially orthogonal to a longitudinal axis 41 of the housing, so that the diaphragm 39 defines an upstream compartment 43 of the housing and a downstream compartment 45 of the housing 25.

Le diaphragme est monté préférentiellement à une distance ZDdu centre OSde la sphère telle que :The diaphragm is preferably mounted at a distance Z D from the center O S of the sphere such that:

ZLétant la distance entre OS,le centre de la sphère 11, et OL, le centre de projection du dispositif d’acquisitions d’images 19 etZ L being the distance between O S, the center of the sphere 11, and O L , the center of projection of the image acquisition device 19 and

R = (RS– RB), différence entre le rayon de la sphère 11 et le rayon de la bille 17.R = (R S – R B ), difference between the radius of the sphere 11 and the radius of the ball 17.

A l’intérieur du compartiment amont 43 du boîtier 25 sont montés le dispositif d’acquisition d’images 19 et l’ensemble de diodes électroluminescentes amont 27 du dispositif d’émission d’un flux lumineux 21.Inside the upstream compartment 43 of the housing 25 are mounted the image acquisition device 19 and the assembly of upstream light-emitting diodes 27 of the device for emitting a luminous flux 21.

Selon ce deuxième mode de réalisation, le dispositif d’émission d’un flux lumineux 21 comporte un deuxième ensemble de diodes électroluminescentes, dites diodes électroluminescentes aval 47, montées dans le compartiment aval 45 du boîtier 25. L’ensemble de diodes électroluminescentes aval 47 est monté proche du diaphragme 39 ou sur le diaphragme 39.According to this second embodiment, the device 21 for emitting a luminous flux comprises a second set of light-emitting diodes, called downstream light-emitting diodes 47, mounted in the downstream compartment 45 of the housing 25. The set of downstream light-emitting diodes 47 is mounted close to the diaphragm 39 or on the diaphragm 39.

Comme pour l’ensemble de diodes électroluminescentes amont 27, l’ensemble de diodes électroluminescentes aval 47 est agencé dans le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 pour émettre un flux lumineux en direction de la sphère 11.As for the set of upstream light-emitting diodes 27, the set of downstream light-emitting diodes 47 is arranged in the attitude recognition device 7 to emit a luminous flux in the direction of the sphere 11.

Afin de déterminer lequel des deux jeux de coordonnées tridimensionnelles (XB1, YB1, ZB1) ou (XB2, YB2, ZB2) est celui qui correspond à la position réelle de la bille 17 dans la sphère 11, le procédé mis en œuvre par le dispositif de reconnaissance d’attitude 7 obtenu selon le deuxième mode de réalisation de l’invention prévoit une étape supplémentaire comportant l’extinction de l’ensemble des diodes électroluminescentes amont 27 et l’allumage de l’ensemble de diodes électroluminescentes aval 47, montées dans le compartiment aval du boîtier 25, puis une étape d’acquisition d’image de la sphère 11 et de la bille 17, l’éclairage étant cette fois-ci assuré uniquement par les diodes électroluminescentes aval 47.In order to determine which of the two sets of three-dimensional coordinates (X B1 , Y B1 , Z B1 ) or (X B2 , Y B2 , Z B2 ) is the one which corresponds to the real position of the ball 17 in the sphere 11, the method implemented by the attitude recognition device 7 obtained according to the second embodiment of the invention provides for an additional step comprising the extinction of all the upstream light-emitting diodes 27 and the lighting of the set of diodes downstream light-emitting diodes 47, mounted in the downstream compartment of the housing 25, then an image acquisition step of the sphere 11 and the ball 17, the lighting this time being provided solely by the downstream light-emitting diodes 47.

Ainsi, comme représenté à la figure 16, lorsque la bille 17 est en amont du diaphragme 39, la bille apparaîtra éclairée par l’avant dans l’image acquise en éclairage amont et éclairée par l’arrière dans l’image acquise en éclairage aval.Thus, as shown in Figure 16, when the ball 17 is upstream of the diaphragm 39, the ball will appear illuminated from the front in the image acquired in upstream lighting and illuminated from behind in the image acquired in downstream lighting .

De la même manière, comme représenté à la figure 17, lorsque la bille 17 est en aval du diaphragme 39, la bille semblera éclairée par l’avant dans l’image acquise en éclairage amont et également éclairée par l’avant dans l’image acquise en éclairage aval.In the same way, as represented in FIG. 17, when the ball 17 is downstream of the diaphragm 39, the ball will appear illuminated from the front in the image acquired in upstream illumination and also illuminated from the front in the image acquired in downstream illumination.

Par conséquent, selon l’apparence de la bille dans l’image en fonction de l’éclairage par l’amont ou par l’aval, le procédé selon l’invention détermine si la bille 17 se situe en amont ou en aval du diaphragme 39 et en déduit lequel est le bon jeu de coordonnées tridimensionnelles de la bille 17 dans le repère orthonormé direct (O, X, Y, Z).Consequently, according to the appearance of the ball in the image as a function of the illumination from upstream or from downstream, the method according to the invention determines whether the ball 17 is located upstream or downstream of the diaphragm 39 and deduces which is the correct set of three-dimensional coordinates of the ball 17 in the direct orthonormal frame (O, X, Y, Z).

Lorsque les coordonnées de la bille 17 sont déterminées, le procédé de l’invention déduit le vecteur gravité, dont son origine est le centre OSde la sphère 11 et son extrémité est donnée par les coordonnées (XB, YB, ZB) du centre de la bille dans le repère orthonormé direct (O, X, Y, Z).When the coordinates of the ball 17 are determined, the method of the invention deduces the gravity vector, whose origin is the center O S of the sphere 11 and its end is given by the coordinates (X B , Y B , Z B ) of the center of the ball in the direct orthonormal frame (O, X, Y, Z).

L’allumage des ensembles de diodes électroluminescentes amont et aval au bon moment et l’enchaînement des étapes est piloté par l’algorithme de traitement d’images.The switching on of the sets of upstream and downstream light-emitting diodes at the right time and the sequence of steps is controlled by the image processing algorithm.

Comme il va de soi, la présente invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation de ce dispositif de reconnaissance d’attitude, de cet objet comportant le dispositif de reconnaissance d’attitude de l’invention, de cet atterrisseur et de ce procédé de reconnaissance d’attitude, décrites ci-dessus uniquement à titre d'exemples illustratifs, mais elle embrasse au contraire toutes les variantes faisant intervenir les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l’invention.It goes without saying that the present invention is not limited to the sole embodiments of this attitude recognition device, of this object comprising the attitude recognition device of the invention, of this lander and of this method of attitude recognition, described above only by way of illustrative examples, but it embraces on the contrary all the variants involving the technical equivalents of the means described as well as their combinations if these fall within the scope of the invention .

Ainsi, la présente invention peut être utilisée à bord de tout véhicule spatial ayant besoin de déterminer son attitude par rapport à un vecteur accélération sous réserve que ce vecteur ne varie pas rapidement dans le temps, afin de laisser le temps à la bille de se stabiliser.Thus, the present invention can be used on board any space vehicle needing to determine its attitude with respect to an acceleration vector provided that this vector does not vary rapidly over time, in order to allow time for the ball to stabilize. .

De même, la présente invention peut parfaitement fonctionner également sur Terre, en gravité terrestre, dans toute application nécessitant une mesure d’attitude absolue sur 720°, sous réserve que l’attitude ne varie pas trop rapidement dans le temps afin de laisser le temps à la bille de se stabiliser. Dans ce cas, les différents éléments constitutifs de l’invention ne nécessitent évidemment pas d’être spatialisés. Ainsi, le dispositif de reconnaissance d’attitude peut être destiné à être intégré à un objet conçu pour fonctionner en milieu terrestre. Un tel objet peut être pourvu de capacités de déplacement, comme un aéronef, ou dépourvu de capacités de déplacement propres mais dont on veut par exemple connaître l’évolution de l’attitude lors de sa manutention ou de son transport, comme par exemple une caisse ou un container.Similarly, the present invention can also function perfectly on Earth, in terrestrial gravity, in any application requiring an absolute attitude measurement over 720°, provided that the attitude does not vary too quickly over time in order to allow time the ball to stabilize. In this case, the various constituent elements of the invention obviously do not need to be spatialized. Thus, the attitude recognition device may be intended to be integrated into an object designed to operate in a terrestrial environment. Such an object can be provided with displacement capabilities, such as an aircraft, or devoid of its own displacement capabilities but of which one wishes for example to know the evolution of the attitude during its handling or its transport, such as for example a crate or a container.

Claims (15)

Dispositif de reconnaissance d’attitude (7) d’un objet, caractérisé en ce qu’il comporte :
- une sphère (11) comportant une paroi (13) apte à laisser passer au moins partiellement un flux lumineux ;
- une bille (17), montée mobile à l’intérieur de ladite sphère (11) ;
- un dispositif d’acquisition d’images (19), agencé dans ledit dispositif de reconnaissance d’attitude (7) pour acquérir une image (29) bidimensionnelle de la bille (17) et de la sphère (11) ;
- un dispositif d’émission d’un flux lumineux (21), agencé dans ledit dispositif de reconnaissance d’attitude (7) pour émettre un flux lumineux en direction de ladite sphère (11) ;
- un dispositif de traitement d’images (23), connecté au dispositif d’acquisition d’images (19), piloté par un algorithme de traitement d’images et conçu pour piloter le dispositif d’émission d’un flux lumineux (21), pour récupérer ladite image (29) acquise par ledit dispositif d’acquisition d’images (19) et pour déterminer à partir de ladite image (29) un vecteur gravité ( ) ayant pour origine le centre (Os) de la sphère (11) et pour extrémité le centre (OB) de la bille (17).
Attitude recognition device (7) of an object, characterized in that it comprises:
- a sphere (11) comprising a wall (13) suitable for at least partially passing a luminous flux;
- a ball (17), movably mounted inside said sphere (11);
- an image acquisition device (19), arranged in said attitude recognition device (7) to acquire a two-dimensional image (29) of the ball (17) and of the sphere (11);
- a device for emitting a luminous flux (21), arranged in said attitude recognition device (7) to emit a luminous flux in the direction of said sphere (11);
- an image processing device (23), connected to the image acquisition device (19), driven by an image processing algorithm and designed to drive the device for emitting a luminous flux (21 ), to recover said image (29) acquired by said image acquisition device (19) and to determine from said image (29) a gravity vector ( ) having as its origin the center (O s ) of the sphere (11) and as its end the center (O B ) of the ball (17).
Dispositif de reconnaissance d’attitude (7) d’un objet selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte un boîtier (25) à l’intérieur duquel sont montés :
- le dispositif d’acquisition d’images (19),
- la sphère (11), à l’intérieur de laquelle est montée la bille (17), en aval par rapport audit dispositif d’acquisition d’images (19),
- le dispositif d’émission d’un flux lumineux (21), en amont par rapport à ladite sphère (11).
Attitude recognition device (7) of an object according to claim 1, characterized in that it comprises a casing (25) inside which are mounted:
- the image acquisition device (19),
- the sphere (11), inside which the ball (17) is mounted, downstream from said image acquisition device (19),
- the device for emitting a luminous flux (21), upstream with respect to said sphere (11).
Dispositif de reconnaissance d’attitude (7) d’un objet selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de traitement d’images (23) est monté à l’intérieur du boîtier (25) ou est directement intégré au dispositif d’acquisition d’images (19).Attitude recognition device (7) of an object according to claim 2, characterized in that the image processing device (23) is mounted inside the housing (25) or is directly integrated into the device for acquisition of images (19). Dispositif de reconnaissance d’attitude (7) d’un objet selon l’une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif d’émission d’un flux lumineux (21) comporte un ensemble de diodes électroluminescentes amont (27).Attitude recognition device (7) of an object according to one of Claims 2 or 3, characterized in that the device for emitting a luminous flux (21) comprises a set of upstream light-emitting diodes (27) . Dispositif de reconnaissance d’attitude (7) d’un objet selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’ensemble de diodes électroluminescentes amont (27) est monté en aval par rapport au dispositif d’acquisition d’images (19).Attitude recognition device (7) of an object according to claim 4, characterized in that the set of upstream light-emitting diodes (27) is mounted downstream with respect to the image acquisition device (19). Dispositif de reconnaissance d’attitude (7) d’un objet selon l’une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu’il comporte un diaphragme (39), qui s’étend radialement depuis une face extérieure de la paroi (13) de la sphère (11), ledit diaphragme (39) contenant un plan (XY) de la sphère (11) sensiblement orthogonal à un axe longitudinal (41) du boîtier (25), ledit diaphragme (39) définissant, d’une part, un compartiment amont (43) du boîtier, à l’intérieur duquel sont montés le dispositif d’acquisition d’images (19) et l’ensemble de diodes électroluminescentes amont (27) et, d’autre part, un compartiment aval (45), ledit dispositif de reconnaissance d’attitude (7) étant en outre caractérisé en ce que le dispositif d’émission d’un flux lumineux (21) comporte un ensemble de diodes électroluminescentes aval (47), monté dans le compartiment aval (45) dudit boîtier (25).Attitude recognition device (7) of an object according to one of Claims 4 or 5, characterized in that it comprises a diaphragm (39), which extends radially from an outer face of the wall (13 ) of the sphere (11), said diaphragm (39) containing a plane (XY) of the sphere (11) substantially orthogonal to a longitudinal axis (41) of the housing (25), said diaphragm (39) defining, on a hand, an upstream compartment (43) of the casing, inside which are mounted the image acquisition device (19) and the assembly of upstream light-emitting diodes (27) and, on the other hand, a downstream compartment (45), said attitude recognition device (7) being further characterized in that the device for emitting a luminous flux (21) comprises a set of downstream light-emitting diodes (47), mounted in the downstream compartment (45) of said housing (25). Dispositif de reconnaissance d’attitude (7) d’un objet selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’ensemble de diodes électroluminescentes aval (47) est monté en aval du diaphragme, sur le diaphragme (39) ou à proximité du diaphragme (39).Attitude recognition device (7) of an object according to claim 6, characterized in that the assembly of downstream light-emitting diodes (47) is mounted downstream of the diaphragm, on the diaphragm (39) or close to the diaphragm (39). Dispositif de reconnaissance d’attitude (7) d’un objet selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la bille (17) a une couleur différente de celle des parois internes du boîtier (25).Attitude recognition device (7) of an object according to any one of Claims 2 to 7, characterized in that the ball (17) has a different color from that of the internal walls of the casing (25). Dispositif de reconnaissance d’attitude (7) d’un objet selon la revendication 8, caractérisé en ce que la bille (17) est de couleur blanche et en ce que les parois internes du boîtier (25) sont de couleur noire.Attitude recognition device (7) of an object according to claim 8, characterized in that the ball (17) is white in color and in that the internal walls of the casing (25) are black in color. Dispositif de reconnaissance d’attitude (7) d’un objet selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif d’acquisition d’images (19), le dispositif d’émission d’un flux lumineux (21) et le dispositif de traitement d’images (23) sont spatialisés.Attitude recognition device (7) of an object according to any one of Claims 1 to 9, characterized in that the image acquisition device (19), the device for emitting a luminous flux (21) and the image processing device (23) are spatialized. Objet comportant un dispositif de reconnaissance d’attitude (7) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.Object comprising an attitude recognition device (7) according to any one of Claims 1 to 10. Sonde spatiale comportant un dispositif de reconnaissance d’attitude (7) selon la revendication 10.Space probe comprising an attitude recognition device (7) according to claim 10. Atterrisseur (1), consistant en un véhicule spatial conçu pour se poser et/ou pour se poser et se déplacer à la surface d’un corps céleste à explorer, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif de reconnaissance d’attitude (7) selon la revendication 10.Lander (1), consisting of a space vehicle designed to land and/or to land and move on the surface of a celestial body to be explored, characterized in that it comprises an attitude recognition device (7 ) according to claim 10. Procédé de reconnaissance d’attitude d’un objet mis en œuvre par un dispositif de reconnaissance d’attitude (7) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes visant à :
- définir un repère orthonormé direct tridimensionnel (O, X, Y, Z) ayant pour origine le centre (Os) de la sphère (11) ;
- acquérir une image (29) sur laquelle la sphère (11) et la bille (17) sont visibles ;
- rectifier ladite image (29) acquise de façon à corriger les distorsions géométriques ;
- identifier la bille (17) dans ladite image (29) acquise et rectifiée ;
- définir dans le plan image (31) à partir du repère orthonormé direct tridimensionnel (O, X, Y, Z) un repère orthonormé direct bidimensionnel (OI, X, Y) ayant pour origine (OI) l’image du centre (Os) de la sphère (11) ;
- identifier dans ladite image (29) acquise et rectifiée les coordonnées (Xb, Yb) du centre (OB) de la bille (17) dans ledit repère orthonormé direct bidimensionnel (OI, X, Y) ;
- calculer, à partir des coordonnées bidimensionnelles (Xb, Yb) et en fonction de paramètres du dispositif de reconnaissance d’attitude, les deux jeux de coordonnées tridimensionnelles (XB1, YB1, ZB1) et (XB2, YB2, ZB2) de la bille (17) dans le repère orthonormé direct (O, X, Y, Z), correspondant aux deux positions physiques de la bille (17) dans la sphère (11) possibles pour la position (Xb, Yb) du centre de la bille (17) dans l’image (29) ;
- calculer la valeur de la surface apparente de la bille (17) dans l’image (29) acquise ;
- comparer ladite valeur de la surface apparente de la bille (17) à une valeur ou à un ensemble de valeurs de calibration préalablement obtenus lors d’une phase de calibration du dispositif de reconnaissance d’attitude (7) ;
- déduire lequel des deux jeux de coordonnées (XB1, YB1, ZB1) ou (XB2, YB2, ZB2) est celui qui correspond à la position de la bille (17) dans la sphère (11) ;
- déduire le vecteur gravité ( ), dont son origine est le centre (OS) de la sphère (11) et son extrémité est donnée par les coordonnées (XB, YB, ZB) du centre (OB) de la bille (17) dans le repère orthonormé direct (O, X, Y, Z).
Method of attitude recognition of an object implemented by an attitude recognition device (7) according to any one of Claims 1 to 10, characterized in that it comprises the following steps aimed at:
- define a three-dimensional direct orthonormal reference (O, X, Y, Z) originating from the center (O s ) of the sphere (11);
- acquiring an image (29) on which the sphere (11) and the ball (17) are visible;
- rectifying said acquired image (29) so as to correct the geometric distortions;
- identifying the ball (17) in said acquired and rectified image (29);
- define in the image plane (31) from the three-dimensional direct orthonormal reference (O, X, Y, Z) a two-dimensional direct orthonormal reference (O I , X, Y) having as its origin (O I ) the image of the center (O s ) of the sphere (11);
- identifying in said acquired and rectified image (29) the coordinates (X b , Y b ) of the center (O B ) of the ball (17) in said two-dimensional direct orthonormal frame (O I , X, Y);
- calculate, from the two-dimensional coordinates (X b , Y b ) and according to parameters of the attitude recognition device, the two sets of three-dimensional coordinates (X B1 , Y B1 , Z B1 ) and (X B2 , Y B2 , Z B2 ) of the ball (17) in the direct orthonormal frame (O, X, Y, Z), corresponding to the two physical positions of the ball (17) in the sphere (11) possible for the position (X b , Y b ) of the center of the ball (17) in the image (29);
- calculating the value of the apparent surface of the ball (17) in the image (29) acquired;
- comparing said value of the apparent surface of the ball (17) with a value or with a set of calibration values previously obtained during a calibration phase of the attitude recognition device (7);
- deducing which of the two sets of coordinates (X B1 , Y B1 , Z B1 ) or (X B2 , Y B2 , Z B2 ) is the one which corresponds to the position of the ball (17) in the sphere (11);
- deduce the gravity vector ( ), whose origin is the center (O S ) of the sphere (11) and its end is given by the coordinates (X B , Y B , Z B ) of the center (O B ) of the ball (17) in the direct orthonormal reference (O, X, Y, Z).
Procédé de reconnaissance d’attitude d’un objet selon la revendication 14, mis en œuvre par un dispositif de reconnaissance d’attitude (7) selon l’une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que l’étape visant à déduire lequel des deux jeux de coordonnées (XB1, YB1, ZB1) ou (XB2, YB2, ZB2) est celui qui correspond à la position de la bille (17) dans la sphère (11) comporte une étape d’acquisition d’image de la sphère (11) et de la bille (17) par le dispositif d’acquisition d’images (19), ladite étape d’acquisition d’image de la bille (17) et de la sphère (11) comportant une phase d’allumage de l’ensemble des diodes électroluminescentes aval (47).Method for recognizing the attitude of an object according to Claim 14, implemented by an attitude recognition device (7) according to one of Claims 6 or 7, characterized in that the step aimed at deducing which of the two sets of coordinates (X B1 , Y B1 , Z B1 ) or (X B2 , Y B2 , Z B2 ) is the one which corresponds to the position of the ball (17) in the sphere (11) comprises a step of image acquisition of the sphere (11) and the ball (17) by the image acquisition device (19), said step of acquiring an image of the ball (17) and the sphere (11 ) comprising an ignition phase of all the downstream light-emitting diodes (47).
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