FR3143727A1 - Procédé et Dispositif de détermination de cible par une approche hybride radio et vidéo - Google Patents
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Abstract
La présente invention s’inscrit dans le contexte de l’entrainement aux armes légères, dit « live ». Il s’agit d’une technologie visant à remplacer la désignation des participants touchés par un tir simulé, fonction aujourd’hui réalisée par illumination laser.
Description
La présente invention s’inscrit dans le contexte de l’entrainement aux armes légères, dit « live ».
Il s’agit d’une technologie visant à remplacer la désignation des participants touchés par un tir simulé, fonction aujourd’hui réalisée par illumination laser. Voir .
L’invention décrite permet notamment de corriger plusieurs défauts de la solution laser actuelle :
- Equipement lourd et encombrant pour les participants.
- Impossibilité de prendre en compte la balistique de la munition (tir en ligne droite uniquement).
- Les capteurs situés sur les participants peuvent être occultés par des projections de boue ou des feuillages.
Le problème technique est réglé par une solution « hybride » reposant sur 3 types de capteurs et un enchainement des traitements suivants :
- Le départ du coup est détecté par un module monté sur l’arme.
- Un moyen de localisation ayant une précision limitée permet de connaitre l’identifiant des participants ainsi que leurs positions angulaires dans le repère de l’arme ayant effectué le tir.
- Un capteur optique permet de réaliser une image vue du canon de l’arme. Sur cette image, les cibles sont détectées par traitement d’image puis identifiées grâce à leurs positions angulaires approchées telles que remontées par le moyen de localisation.
- Un calcul balistique précis est effectué en prenant en compte la cinétique et l’éloignement de la cible (telle que perçue par le capteur optique), ainsi que la cinétique de l’arme (telle que perçue par une centrale inertielle montée sur l’arme).
- Le système est alors capable de déterminer quel participant croise la trajectoire balistique de la munition lors de l’impact ainsi que de déterminer quelle partie du corps est touchée.
- L’information d’attrition est ensuite remontée à la cible et au système par un canal radio.
La : Equipement du fantassin dans le cadre de l'entrainement "Live" par illumination laser
La : Arrivée d'une onde plane sur un couple d'antennes (Source : Bluetooth SIG)
La :positionnement par triangulation (Source : Texas Instrument forum)
La : Précision de la mesure par rapport à l'angle d'arrivée (Source : TI Designs: TIDA-01632)
La : Détermination de la position angulaire des cibles dans le repère de l'arme
La : Généralisation en 3D
La : Détection description et localisation des cibles par dispositif optique
La figure 8: Solution hybride de l'invention
Description
d
e
l’invention
1.1
Présentation de la fonction « Moyen de localisation »
Les moyens de localisation existants n’ont pas une précision suffisante pour permettre une désignation sûre de la cible par eux seuls, mais permettent de réaliser une sous-partie du système décrit par l’invention.
Plusieurs modes de réalisation de cette fonctionnalité peuvent être utilisés :
- Par localisation des tireurs et des cibles dans un repère global puis calcul de la position des cibles dans le repère du tireur (sections 1.1.1, 1.1.2, 1.1.3)
Plus avantageusement, en localisant directement les cibles dans le repère du tireur (section 1.1.4).
1.1.1 Localisation Satellite en extérieur (GNSS : Global navigation satellite system)
Dans le cas de la localisation en extérieur, un mode de réalisation peut être l’utilisation d’un système de GNSS. Ainsi, avec les système satellite multi constellation (BeiDou + Galileo + GLONASS + GPS) et la capacité a utilisé des flux de correction différentiel (GPS RTK) on peut atteindre une précision inférieure au mètre.
Cette technologie ne sera par contre pas utilisable à l’intérieur des bâtiments ou dans des zones de brouillage ou les signaux satellites ne sont pas disponibles.
1.1.2 Technologie radio de localisation, RTLS (Real Time Locating System)
L’état de l’art en localisation intérieur par radio permet d’atteindre des précisions en dessous du mètre voir même autour de 10cm dans des conditions optimales.
Les solutions ultra large bande (Ultra WideBand – UWB) sont basées sur la méthode du temps de vol (Time of Flight – ToF) pour mesurer la distance entre deux émetteurs-récepteurs radio en multipliant le ToF du signal par la vitesse de la lumière. Ces temps de vols peuvent être calculés soit à partir d’une communication bidirectionnelle entre des ancres fixes et des modules à géo-localiser (Two Way Ranging - TWR) ou par communication unidirectionnel entre des ancres fixes et des modules à géo-localiser (Time Difference of Arrival - TDoA).
Les solutions basées sur la technologie Angle d'arrivée Blue Tooth 5.1 (Angle Of Arrival - AOA) utilise la différence de phase de réception d’un signal sur un réseau d’ancres comportant plusieurs antennes pour calculer la position angulaire des balises par rapport aux ancres pour en déduire la position géographique des balises par triangulation. Il est à noter que des solutions d’AOA basé sur la technologie UWB commencent aussi à arriver sur le marché.
Ces solutions nécessitent de déployer une infrastructure lourde. En effet, des « ancres » doivent être installé à espace réguliers sur toute la zone, ces ancres nécessitent un déploiement non trivial : une connectivité réseaux et énergétique, la mesure précise de leur géolocalisation, un système de synchronisation d’horloge pour les techniques de TDoA, …
Suivant la technologie utilisée, des restrictions sur le nombre d’éléments à localiser et la fréquence de rafraîchissement s’appliquent.
1.1.3 Utilisation d’une technologie de positionnement par odométrie
L’odométrie est une technique permettant d'estimer la position d'un objet en mouvement par l’observation itérative de ce mouvement par des « capteurs ».
Le positionnement par odométrie peut faire appel à différent types de capteurs :
- Dans le cas d’un véhicule à roue, l’observation de la rotation des roues permet de reconstituer le mouvement global du mobile.
- L’odométrie inertielle, fait appels à une centrale de mesure pour calculer itérativement la position du mobile par intégration des données inertielles de senseurs tels que des accéléromètres, gyroscopes, compas magnétique et baromètres. Ces données sont en générale fusionnées par un filtre (Kalman, Madgwick, complémentaire, …)
- L’odométrie visuelle permet d’estimer le déplacement d’un mobile équipé d’une caméra calibrée en calculant itérativement le déplacement de la caméra entre chaque image successive par des méthodes d’analyse d’images et de géométrie projective.
- …
Toutes ces méthodes calculent la position itérativement et sont sujettes à une dérive plus ou moins grande dû à la précision limitée des calculs et à l’accumulation d’erreurs de mesures (bruit de mesure). Pour les robustifier, on peut les hybrider entre elles : odométrie visuelle et inertielle par exemple.
Une méthode classique pour positionner ces trajectoires dans un repère géographique globale est l’utilisation d’ancres spatiales positionnées soit au début du parcours (initialisation de la position) soit tout le long du parcourt (recalage pour limiter la dérive). Ces ancres dont la position est connue peuvent être des portiques, des marqueurs visuels dans le cas de l’odométrie visuelle, etc.
1.1.4 Calcul direct des positions angulaires dans le repère de l’arme (technologie par angle d’arrivé : AOA)
Comme décrit au chapitre 1.1.2, les technologies d’AOA sont classiquement utilisées pour effectuer la géolocalisation de balise par rapport à un réseau étendu d’antenne. On se propose ici de décrire comment utiliser cette technologie pour répondre au besoin de valider l’alignement des cibles directement dans le repère de l’arme. On démontrera aussi pourquoi ce besoin correspond à un cas particulièrement favorable de cette technologie.
1.1.4.1 Description de la technologie de positionnement en intérieur Bluetooth 5.1 par angle d’arrivée (AOA)
Le problème de la géolocalisation ne se pose plus tellement en extérieur notamment grâce au développement des services GPS. Cependant c’est loin d’être le cas lorsque l’on souhaite offrir ce même type de service dans un bâtiment.
La méthode par AOA ou "Angle Of Arrival" (Angle d'arrivée) consiste à un échange de paquets de données entre un appareil émetteur appelé "beacon" (balise) et un appareil récepteur nommé "locator" (localisateur). Ce dernier appareil possède plusieurs antennes qui sont séparées d’une distance "d" connue.
Le récepteur possède plusieurs antennes, en général répartie de façon concentrique pour pouvoir détecter les signaux de la balise à 360°. Voir .
Un calcul trigonométrique permet de déterminer l’angle où se situe la balise par rapport à un couple de 2 antennes du récepteur avec la formule suivante :
θ = arccos((ψλ)/(2πd)) avec :
- θ : L’angle d’arrivée en radian permettant de situer où se trouve le beacon par rapport au récepteur.
- ψ : La différence de phase entre les ondes reçues par les 2 antennes du récepteur.
- λ : La longueur d’onde du signal CTE reçu, soit 0,125 m avec la fréquence de 2,4 GHz du Bluetooth.
- d : La distance entre les 2 antennes.
Le système de positionnement utilise alors classiquement une collection de localisateurs pour localiser les balises par triangulation. Voir .
A cause de la précision de mesure de l’angle θ, cette classe de système permet une localisation en intérieur avec une précision inférieure au mètre. La précision de mesure peut être affectée par le « rebond » ou l’occultation des ondes radio par des surfaces métalliques.
1.1.4.2 Description de la technologie de positionnement en intérieur UWB par angle d’arrivé (AOA)
De la même façon, la technologie UWB permet de faire de la localisation par détection d’angle d’arrivée et correspond à un mode de réalisation de la fonctionnalité de calcul direct des positions angulaires dans le repère de l’arme.
1.1.4.3 Utilisation de la technologie pour valider l’alignement des cibles
Dans le cas du Bluetooth, l’analyse de la technologie AOA montre que dans le cas simple de 2 antennes colinéaires, la précision de mesure de l’angle est maximale (< 1°) dans l’axe perpendiculaire aux 2 antennes. Voir .
La zone nous intéressant étant justement comprise dans un angle « faible » : les quelques dégrées en face du canon de l’arme, cette répartition de l’erreur de mesure nous est particulièrement favorable. De plus, dans le cas de l’alignement de cible on peut imaginer que l’espace entre le tireur et sa cible est vide d’obstacles, aussi, la précision de mesure ne devrait pas être affecté par des interférences avec des structures métalliques se trouvant sur le chemin et la portée du signal BLE devrait être maximum (+ de 100m).
Dans l’exemple de la , lors d’un tir, le système peut alors remonter les informations suivantes :
- La balise n°1 se trouva à +/-10° par rapport à l’axe du canon
- La balise n°2 se trouva à 0° par rapport à l’axe du canon
- La balise n°3 se trouva à +/-30° par rapport à l’axe du canon.
Les technologies de type AOA sont donc particulièrement adaptées à la première fonction de l’invention : Un moyen de localisation ayant une précision limitée qui permet de connaitre l’identifiant des participants ainsi que leurs positions angulaires dans le repère de l’arme ayant effectué le tir.
1.1.4.4 Alignement 3D
Dans le cas où l’arme est équipée de 3 antennes définissant un repère ortho normal, on peut de la même façon effectuer les calculs en prenant en compte successivement les 2 couples d’antennes (ANT1-ANT2 et ANT1-ANT3) perpendiculaires et ainsi calculer 2 angles d’alignement : un azimuth et une élévation. Voir .
1.2 Présentation de la fonction « dispositif optique »
Le dispositif optique se compose entre autre chose d’une caméra co-localisée au canon de l’arme et permettant lors du déclenchement d’un tir simulé (ou réel) de prendre une image vue du canon.
Le dispositif permet ensuite d’annoter le type des cibles vues, leurs «squelettes», de calculer leurs distances et orientations par rapport à l’axe de la caméra ainsi que de construire le point d’impact d’une munition donnée dans l’image en réalisant un calcul balistique.
Pour le même exemple qu’au chapitre précédant, lors d’un tir, le système peut donc remonter les informations suivantes :
- Un humain se trouve à 12m de distance, à -10° par rapport à l’axe du canon.
- Un humain se trouve à 10m de distance, à 0° par rapport à l’axe du canon, il est touché à la poitrine.
- Une voiture se trouve à 12m de distance, à +30° par rapport à l’axe du canon.
1.3 Description de la solution hybride de l’invention
En combinant les informations des 2 dispositifs et en sachant que les balises 1 et 2 sont déployées sur des humains et la balise 3 sur une voiture, on peut en déduire que le participant portant la balise n°2 est touché à la poitrine. Voir figure 8.
Cette information permet donc de simuler un tir sur humain ou véhicule, de déterminer l’attrition due à la position de l’impact de la munition et d’appliquer cette attrition sur le participant concerné, en l’avertissant qu’il est touché ou mort, en désactivant son arme, …
1.3.1 Raffinement de la solution par redondance des balises
Pour améliorer la précision du système et palier aux indéterminations, on peut étendre la solution en positionnant plusieurs balises sur les participants, à des endroits connus (tête, épaules, genoux, …). Les angles remontés seront donc multiples par participant et le système effectuera plusieurs mises en correspondance d’angles pour localiser de façon certaines les participants dans l’image.
1.3.2 Solution 3D
Dans le cas où la fonction « Moyen de localisation » fournit une information 3D (azimut et élévation des balises dans le repère de l’arme), l’angle d’élévation peut être utilisé comme critère supplémentaire pour identifier la cible dans l’image.
1.3.3 Solution Hybride multiple
Plusieurs modes de réalisation de la fonction « Moyen de localisation » peuvent fonctionner en parallèle pour fournir une solution plus robuste. Par exemple, une solution d’odométrie Visuelle/inertielle couplée à un positionnement radio peut permettre au système d’être immunisé à une perturbation radio ou à un fumigène bloquant la vue si ces perturbations ne se déclenche pas au même moment.
1.3.4 Cas du tir sur une cible non visible
Dans le cas où la cible est complètement cachée (fumigène, végétation dense, …) la fonction « dispositif optique » est inopérante. On considère que le système peut tout de même fonctionner en simulant le tir de façon statistique : on connait la position approchée des cibles dans le repère de l’arme, on considère que le tireur ne peut apercevoir les cibles et effectue donc le tir « au juger ». Il est donc complètement valide de calculer une probabilité statistique de toucher.
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