FR3135534A1 - Positioning system by external high frequency light intensity modulation - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un procédé et un appareil de positionnement en espace tridimensionnel d’objets (4). La position des objets (4) est calculée par référence à la position de sources lumineuses (2) émettant une lumière d’intensité non intentionnellement modulée. L’appareil de positionnement comprend au moins un dispositif de modulation de l’intensité lumineuse, associé à chaque source lumineuse (2), et un récepteur optique (3) ainsi qu’un système électronique de traitement, associés à l’objet (4) à positionner. Des signaux électriques sont appliqués aux dispositifs de modulation pour moduler en intensité tout ou partie de la lumière émise par chaque source lumineuse (2). Les signaux électriques modulants, spécifiques à chaque source lumineuse (2), permettent d’identifier les sources lumineuses (2). La modulation par un dispositif de modulation externe permet de moduler l’intensité lumineuse à haute fréquence. Le récepteur optique (3) reçoit la lumière modulée et l’électronique de traitement identifie les sources lumineuses (2) ainsi que les directions de visée de chaque source lumineuse (2) depuis l’objet (4). La position de l’objet (4) est alors déterminée relativement à la position des sources lumineuses (2).A method and apparatus for positioning objects (4) in three-dimensional space. The position of objects (4) is calculated by reference to the position of light sources (2) emitting light of unintentionally modulated intensity. The positioning device comprises at least one light intensity modulation device, associated with each light source (2), and an optical receiver (3) as well as an electronic processing system, associated with the object (4 ) to position. Electrical signals are applied to the modulation devices to modulate in intensity all or part of the light emitted by each light source (2). The modulating electrical signals, specific to each light source (2), make it possible to identify the light sources (2). Modulation by an external modulation device makes it possible to modulate the light intensity at high frequency. The optical receiver (3) receives the modulated light and the processing electronics identify the light sources (2) as well as the viewing directions of each light source (2) from the object (4). The position of the object (4) is then determined relative to the position of the light sources (2).
Description
La présente invention concerne le domaine du positionnement d’objets (4) relativement à des sources lumineuses (2), indépendamment de tout système de positionnement par satellites.The present invention relates to the field of positioning objects (4) relative to light sources (2), independently of any satellite positioning system.
La précision du positionnement GPS (pour « Global Positioning System »), ou d’autres systèmes de Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites (GNSS) évolue dans le temps et n’est pas suffisamment fiable dans certaines zones où les signaux sont affectés par le terrain, les bâtiments, les tunnels ou les conditions météorologiques. D’autre part, les signaux GPS ne pénètrent pas suffisamment les bâtiments pour être utilisés en intérieur.The precision of GPS positioning (for “Global Positioning System”), or other Geolocation and Navigation Satellite System (GNSS) systems evolves over time and is not sufficiently reliable in certain areas where the signals are affected by terrain, buildings, tunnels or weather conditions. On the other hand, GPS signals do not penetrate buildings sufficiently to be used indoors.
D’autres techniques de positionnement sans système de positionnement par satellites, en particulier en intérieur, existent, par exemple utilisant les systèmes de communications sans fil comme le WiFi ou le Bluetooth. De même, le principe du positionnement d’objets ou de personnes utilisant la lumière est bien connu de l’état de la technique. Le positionnement relativement à des sources lumineuses a l’avantage d’être plus précis que celui utilisant les systèmes de communications sans fil, de ne pas souffrir des perturbations électromagnétiques, de ne pas générer de perturbations électromagnétiques, point critique par exemple en milieux hospitalier ou industriel, et de pouvoir exploiter les sources lumineuses d’éclairage installées.Other positioning techniques without satellite positioning systems, particularly indoors, exist, for example using wireless communications systems such as WiFi or Bluetooth. Likewise, the principle of positioning objects or people using light is well known to the state of the art. Positioning relative to light sources has the advantage of being more precise than that using wireless communications systems, of not suffering from electromagnetic disturbances, of not generating electromagnetic disturbances, a critical point for example in hospital or hospital environments. industrial, and to be able to exploit the installed light sources.
L’utilisation de différentes grandeurs physiques des systèmes d’éclairage pour identifier un luminaire et se référer à sa position est connue de l’état de la technique : modulation de la polarisation de la lumière émise à l’aide d’un polariseur à cristaux liquides, mesure de la distance de l’objet aux luminaires par la mesure de la puissance lumineuse reçue par l’objet et calcul de trilatération, utilisation d’une centrale inertielle associée à la mesure de la puissance lumineuse reçue par l’objet, utilisation d’une source laser, exploitation des ombres et des réflexions, etc. (cf. « Recent Advances in Indoor Localization via Visible Lights: A Survey », A B M Mohaimenur Rahman et al., Sensors 2020, 20, 1382, doi:10.3390/s20051382).The use of different physical quantities of lighting systems to identify a luminaire and refer to its position is known from the state of the art: modulation of the polarization of the light emitted using a crystal polarizer liquids, measurement of the distance from the object to the luminaires by measuring the light power received by the object and calculation of trilateration, use of an inertial unit associated with the measurement of the light power received by the object, use of a laser source, exploitation of shadows and reflections, etc. (see “Recent Advances in Indoor Localization via Visible Lights: A Survey”, A B M Mohaimenur Rahman et al., Sensors 2020, 20, 1382, doi:10.3390/s20051382).
Mais la méthode de positionnement utilisant des sources lumineuses la plus simple à mettre en oeuvre tout en étant précise est la modulation de l’intensité lumineuse des sources pour les identifier, la mesure des angles de visées de ces sources vues depuis l’objet à positionner, puis un calcul de triangulation pour déterminer la position relative de l’objet aux sources lumineuses. Cette méthode ne nécessite pas de source laser ni de centrale inertielle et sa précision n’est pas tributaire de la puissance lumineuse reçue, donc des réflexions parasites.But the positioning method using light sources that is the simplest to implement while being precise is the modulation of the light intensity of the sources to identify them, the measurement of the viewing angles of these sources seen from the object to be positioned , then a triangulation calculation to determine the relative position of the object to the light sources. This method does not require a laser source or inertial unit and its precision is not dependent on the light power received, and therefore on parasitic reflections.
La plupart des systèmes d’éclairage actuels sont constitués de tubes fluorescents, lampes fluocompactes et/ou de diodes électroluminescentes (DELs). Les DELs ont l’avantage d’une longue durée de vie, jusqu’à une vingtaine d’années et d’une faible consommation d’énergie électrique mais surtout de permettre la modulation de leur intensité lumineuse par la modulation du courant les traversant. C’est pourquoi les DELs sont utilisées dans la plupart des systèmes de positionnement à l’aide de sources lumineuses. Cependant, les temps de commutation des DELs de puissance restent relativement importants, donc la fréquence de modulation de l’intensité lumineuse des DELs reste relativement faible et ce, d’autant plus que les puissances en jeu sont élevées. Des expériences de transmissions de centaines de Mb/s voire dépassant le Gb/s ont certes été rapportées, mais au prix d’une complexité de mise en oeuvre (formats de modulation complexes, pré- et post égalisation, filtrage optique, puissance lumineuse réduite, etc.) incompatible avec une modulation d’intensité lumineuse binaire (OOK) qui permettrait une utilisation simple des systèmes d’éclairage à DELs disponibles dans le commerce.Most current lighting systems are made up of fluorescent tubes, compact fluorescent lamps and/or light-emitting diodes (LEDs). LEDs have the advantage of a long lifespan, up to twenty years and low electrical energy consumption, but above all they allow the modulation of their light intensity by modulating the current passing through them. This is why LEDs are used in most positioning systems using light sources. However, the switching times of the power LEDs remain relatively long, so the frequency of modulation of the light intensity of the LEDs remains relatively low, especially as the powers involved are high. Experiences with transmissions of hundreds of Mb/s or even exceeding Gb/s have certainly been reported, but at the cost of implementation complexity (complex modulation formats, pre- and post equalization, optical filtering, reduced light power , etc.) incompatible with binary light intensity modulation (OOK) which would allow simple use of commercially available LED lighting systems.
Quant aux tubes fluorescents et lampes fluocompactes, leur principe de fonctionnement ne permet pas de moduler leur intensité lumineuse en modulant simplement la puissance électrique qui leur est fournie. Ils ne peuvent donc pas, dans l’état de la technique actuel, être utilisés pour ce positionnement par modulation d’intensité lumineuse.As for fluorescent tubes and compact fluorescent lamps, their operating principle does not allow their light intensity to be modulated by simply modulating the electrical power supplied to them. They cannot therefore, in the current state of the art, be used for this positioning by light intensity modulation.
Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un système de positionnement, relativement à la position de sources lumineuses (2), par modulation externe d’intensité lumineuse et triangulation :
- à haute fréquence de modulation de la lumière, permettant le calcul rapide du positionnement d’un objet (4) et par conséquent son déplacement rapide ;
- permettant une adaptation à une source de lumière quelconque, visible ou invisible (par exemple infrarouge ou ultraviolette), artificielle (produite par des DELs, des tubes fluorescents, des lampes fluocompactes ou autres) ou naturelle (par exemple un puits de jour), en intérieur ou extérieur ;
- permettant une mise en oeuvre simple sur tous les types de systèmes d’éclairage existants, sans infrastructure coûteuse à installer.
- at high frequency of light modulation, allowing the rapid calculation of the positioning of an object (4) and consequently its rapid movement;
- allowing adaptation to any light source, visible or invisible (for example infrared or ultraviolet), artificial (produced by LEDs, fluorescent tubes, compact fluorescent lamps or others) or natural (for example a daylight), in indoor or outdoor;
- allowing simple implementation on all types of existing lighting systems, without costly infrastructure to install.
L'invention est caractérisée en ce que au moins un émetteur (1) est associé à chaque source lumineuse (2) et un récepteur (3) est associé à chaque objet (4) à positionner.The invention is characterized in that at least one transmitter (1) is associated with each light source (2) and a receiver (3) is associated with each object (4) to be positioned.
La lumière émise par chaque source lumineuse (2) est non intentionnellement modulée à la sortie de la source lumineuse (2). Elle peut être visible ou invisible , artificielle ou naturelle. Cette lumière est modulée à haute fréquence (100 MHz et au-delà) par l’émetteur (1). La modulation haute fréquence est rendue possible par le fait qu’elle est effectuée sur la lumière émise en sortie de la source lumineuse (2) et non sur le courant traversant la source lumineuse (2). Chaque source lumineuse (2) est identifiée par des caractéristiques fréquentielles différentes de la modulation de son intensité lumineuse. Les interférences entre les signaux lumineux émis par l’émetteur (1) sont ainsi évitées.The light emitted by each light source (2) is unintentionally modulated at the output of the light source (2). It can be visible or invisible, artificial or natural. This light is modulated at high frequency (100 MHz and beyond) by the transmitter (1). High frequency modulation is made possible by the fact that it is carried out on the light emitted at the output of the light source (2) and not on the current passing through the light source (2). Each light source (2) is identified by different frequency characteristics of the modulation of its light intensity. Interference between the light signals emitted by the transmitter (1) is thus avoided.
Le récepteur (3) capte la lumière émise par les différents émetteurs (1). Il identifie les sources lumineuses (2) par les caractéristiques fréquentielles de leur modulation d’intensité tout en mesurant les directions de visée de chaque source lumineuse (2) depuis l’objet (4). La
Les angles de visée selon lesquels les sources lumineuses (2) sont vues depuis l’objet (4) sont reliés aux coordonnées cartésiennes selon des relations du type (cf.
L’objet (4) peut utiliser cette information de position pour suivre une trajectoire programmée dans son récepteur (3) ou transmise à l’objet (4) via une interface de communication. L’objet (4) peut aussi transmettre sa position via une interface de communication.The object (4) can use this position information to follow a trajectory programmed in its receiver (3) or transmitted to the object (4) via a communication interface. The object (4) can also transmit its position via a communication interface.
Chaque émetteur (1) associé à une source lumineuse (2) est constitué d’un modulateur électro-optique rapide et d’un circuit électronique de commande. Contrairement aux dispositifs à cristaux liquides, le modulateur électro-optique est caractérisé par sa capacité à fonctionner à haute fréquence. L’émetteur (1) est simplement fixé sur la surface de la source lumineuse (2). Dans un autre mode de réalisation, l’émetteur (1) est intégré à l’intérieur du luminaire contenant la source lumineuse (2) lors de la fabrication du luminaire. L’émetteur (1) peut être alimenté par la même alimentation électrique que la source lumineuse (2) ou par une autre source d’alimentation électrique.Each transmitter (1) associated with a light source (2) consists of a fast electro-optical modulator and an electronic control circuit. Unlike liquid crystal devices, the electro-optical modulator is characterized by its ability to operate at high frequency. The emitter (1) is simply fixed on the surface of the light source (2). In another embodiment, the transmitter (1) is integrated inside the luminaire containing the light source (2) during the manufacture of the luminaire. The transmitter (1) can be powered by the same power supply as the light source (2) or by another power source.
Le récepteur (3), fixé sur l’objet (4) à positionner, comporte des éléments dioptriques de formation d'image sur une matrice de capteurs opto-électroniques ou sur tout autre ensemble de capteurs opto-électroniques placés dans un plan image proche du plan focal et associés à une électronique de conditionnement ainsi qu’à une électronique de traitement du signal de sortie des capteurs. Selon une variante de l’invention, les capteurs opto-électroniques sont des photodiodes suffisamment rapides pour permettre la démodulation du signal lumineux modulé à haute fréquence.The receiver (3), fixed on the object (4) to be positioned, comprises diopter elements for forming images on a matrix of opto-electronic sensors or on any other set of opto-electronic sensors placed in a near image plane of the focal plane and associated with conditioning electronics as well as electronics for processing the sensor output signal. According to a variant of the invention, the opto-electronic sensors are photodiodes fast enough to allow the demodulation of the modulated light signal at high frequency.
L’électronique de traitement du signal de sortie des capteurs est constituée d’au moins un module de calcul. Le module de calcul peut être réalisé sous forme logicielle et/ou matérielle. Le module de calcul peut consister en un microprocesseur accompagné de périphériques, en un microcontrôleur, en un réseau de portes logiques programmables ou FPGA (« Field-Programmable Gate Array), en un circuit intégré spécifique ou ASIC (« Application-Specific Integrated Circuits), ou toute association de ces éléments. Le module de calcul détermine la position de l’objet (4) à partir du signal de sortie des capteurs opto-électroniques.The electronics for processing the sensor output signal consist of at least one calculation module. The calculation module can be produced in software and/or hardware form. The calculation module may consist of a microprocessor accompanied by peripherals, a microcontroller, a network of programmable logic gates or FPGA (Field-Programmable Gate Array), a specific integrated circuit or ASIC (Application-Specific Integrated Circuits). , or any combination of these elements. The calculation module determines the position of the object (4) from the output signal of the opto-electronic sensors.
La mise en oeuvre de l’invention ne nécessite pas d’infrastructure coûteuse à installer et est très peu intrusive sur l’infrastructure existante. Il suffit de déployer les émetteurs (1) sur les sources lumineuses (2) et de noter leur localisation dans l’espace tridimensionnel selon un système de coordonnées quelconque. Les émetteurs (1) peuvent être installés facilement sans modification de la source lumineuse (2) ou de son alimentation électrique. Il suffit de fixer l’émetteur (1) à la surface de la source lumineuse (2) de sorte qu’au moins une partie du flux lumineux de la source lumineuse atteigne le modulateur de l’émetteur (1).The implementation of the invention does not require expensive infrastructure to install and is very minimally intrusive on existing infrastructure. Simply deploy the emitters (1) on the light sources (2) and note their location in three-dimensional space according to any coordinate system. The emitters (1) can be installed easily without modifying the light source (2) or its power supply. Simply attach the emitter (1) to the surface of the light source (2) so that at least part of the light flux from the light source reaches the modulator of the emitter (1).
L’émetteur (1) peut être alimenté par la même alimentation électrique que la source lumineuse (2) ou par une autre source d’alimentation électrique. Selon une variante de l’invention, l’émetteur (1) peut prendre la forme d’un adaptateur à insérer entre la source lumineuse (2) et son connecteur d’alimentation électrique de façon à alimenter électriquement l’émetteur (1) par le connecteur d’alimentation électrique de la source lumineuse (2) et à alimenter la source lumineuse (2) à travers l’émetteur (1).The transmitter (1) can be powered by the same power supply as the light source (2) or by another power source. According to a variant of the invention, the transmitter (1) can take the form of an adapter to be inserted between the light source (2) and its electrical power connector so as to electrically power the transmitter (1) by the power supply connector of the light source (2) and powering the light source (2) through the transmitter (1).
Selon une variante de l’invention, la source lumineuse (2) et l’émetteur (1) sont intégrés dans un même bloc-luminaire à la fabrication du bloc-luminaire. Ce bloc-luminaire peut produire, à la fois, le flux lumineux nécessaire à l’éclairage et le flux lumineux modulé nécessaire au positionnement de l’objet (4).According to a variant of the invention, the light source (2) and the emitter (1) are integrated into the same lighting unit during the manufacture of the lighting unit. This lighting unit can produce both the luminous flux necessary for lighting and the modulated luminous flux necessary for positioning the object (4).
Selon un mode de réalisation, les coordonnées de la trajectoire à suivre sont enregistrées dans le récepteur (3) sur l’objet (4) ou transmises à l’objet (4) via une interface de communication. L’objet (4) calcule sa position à partir des signaux lumineux captés par le récepteur (3) et la fait correspondre à la trajectoire à suivre.According to one embodiment, the coordinates of the trajectory to follow are recorded in the receiver (3) on the object (4) or transmitted to the object (4) via a communication interface. The object (4) calculates its position from the light signals captured by the receiver (3) and matches it to the trajectory to follow.
Dans un autre mode de réalisation, l’objet (4) calcule sa position à partir des signaux lumineux captés par le récepteur (3) et transmet sa position à un dispositif de suivi de l’objet via une interface de communication.In another embodiment, the object (4) calculates its position from the light signals captured by the receiver (3) and transmits its position to an object tracking device via a communication interface.
Selon une variante de l’invention, plusieurs objets (4), fixes ou mobiles, peuvent être positionnés simultanément relativement aux sources lumineuses (2).According to a variant of the invention, several objects (4), fixed or mobile, can be positioned simultaneously relative to the light sources (2).
Dans un mode de réalisation, cette invention peut être employée au positionnement et/ou à la navigation, en intérieur, de véhicules roulants, robots, véhicules aériens sans pilote (appelés couramment « drones »), ou tout autre objet nécessitant un tel positionnement ou une telle navigation et/ou leur suivi.In one embodiment, this invention can be used for the positioning and/or navigation, indoors, of rolling vehicles, robots, unmanned aerial vehicles (commonly called “drones”), or any other object requiring such positioning or such navigation and/or their monitoring.
Dans un autre mode de réalisation, cette invention peut être employée au positionnement et/ou navigation, en extérieur, de véhicules roulants, robots, véhicules aériens sans pilote, ou tout autre objet nécessitant un tel positionnement ou une telle navigation et/ou leur suivi. Les sources lumineuses de référence peuvent être celles de l’éclairage public. Cette invention peut venir en complément d’un système de positionnement global (GPS) pour améliorer la précision du positionnement d’un véhicule. Alternativement, cette invention peut venir en remplacement d’un système de positionnement global défaillant (tunnel, mauvaises conditions météorologiques, etc.)In another embodiment, this invention can be used for the positioning and/or navigation, outdoors, of rolling vehicles, robots, unmanned aerial vehicles, or any other object requiring such positioning or navigation and/or their tracking . The reference light sources can be those of public lighting. This invention can complement a global positioning system (GPS) to improve the accuracy of vehicle positioning. Alternatively, this invention can replace a faulty global positioning system (tunnel, bad weather conditions, etc.)
La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.
The present invention is in no way limited to the embodiments described and represented and those skilled in the art will be able to make any variation consistent with their spirit.
Claims (6)
- des émetteurs de lumière (1) associés à des sources lumineuses (2) de sorte qu’au moins une partie du flux lumineux des sources lumineuses atteigne les émetteurs (1),
- un récepteur de lumière (3), mécaniquement solidaire de chaque objet (4) à positionner, opérant un calcul de triangulation pour déterminer la position de l’objet relativement à la position des sources lumineuses (2),
- les émetteurs (1) effectuent une modulation externe de l’intensité lumineuse des sources lumineuses (2), c’est à dire que la modulation est effectuée sur la lumière émise en sortie des sources lumineuses (2) et traversant les émetteurs (1),
- chaque émetteur (1) associé à une source lumineuse (2) a des caractéristiques fréquentielles de modulation de l’intensité lumineuse propres,
- chaque source lumineuse (2) est identifiée spécifiquement par les caractéristiques fréquentielles de la modulation de son intensité lumineuse,
- chaque récepteur (3) capte la lumière modulée émise par les différents émetteurs (1) et identifie les sources lumineuses (2) par les caractéristiques fréquentielles de leur modulation d’intensité lumineuse tout en mesurant les directions de visée de chaque source lumineuse (2) depuis l’objet (4).
- light emitters (1) associated with light sources (2) so that at least part of the luminous flux from the light sources reaches the emitters (1),
- a light receiver (3), mechanically secured to each object (4) to be positioned, carrying out a triangulation calculation to determine the position of the object relative to the position of the light sources (2),
- the emitters (1) carry out external modulation of the light intensity of the light sources (2), that is to say that the modulation is carried out on the light emitted at the output of the light sources (2) and passing through the emitters (1) ,
- each transmitter (1) associated with a light source (2) has its own frequency characteristics for modulating the light intensity,
- each light source (2) is specifically identified by the frequency characteristics of the modulation of its light intensity,
- each receiver (3) captures the modulated light emitted by the different transmitters (1) and identifies the light sources (2) by the frequency characteristics of their light intensity modulation while measuring the aiming directions of each light source (2) from object (4).
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