FR3151915A1 - Determination of pose by measurement of an oscillating magnetic field produced by non-orthogonal generators - Google Patents
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Abstract
Procédé de détermination d’au moins une composante de la pose d’un récepteur (24) relativement à un émetteur (22), l’émetteur (22) comprenant au moins deux générateurs magnétiques (30, 32, 34), le procédé comprenant les étapes suivantes : mesure d’un champ magnétique résultant, démodulation du signal de mesure de manière à déterminer une pluralité de mesures candidates,application à chaque mesure candidate d’un correctif visant à compenser un défaut d’orthogonalité de directions des générateurs magnétiques (30, 32, 34), de manière à obtenir une mesure corrigée correspondante,calcul d’une donnée représentative de la vraisemblance que cette mesure candidate donne les contributions réelles de chaque champ magnétique alternatif,sélection d’une mesure sélectionnée correspondant à la vraisemblance la plus élevée, etdéduction de ladite au moins une composante de la pose du récepteur (24). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Method for determining at least one component of the pose of a receiver (24) relative to a transmitter (22), the transmitter (22) comprising at least two magnetic generators (30, 32, 34), the method comprising the following steps: measurement of a resulting magnetic field, demodulation of the measurement signal so as to determine a plurality of candidate measurements, application to each candidate measurement of a correction aimed at compensating for a lack of orthogonality of directions of the magnetic generators (30, 32, 34), so as to obtain a corresponding corrected measurement, calculation of data representative of the likelihood that this candidate measurement gives the real contributions of each alternating magnetic field, selection of a selected measurement corresponding to the highest likelihood, and deduction of said at least one component of the pose of the receiver (24). Figure for abstract: Fig. 1
Description
La présente invention concerne la détermination d’au moins une composante de la pose, c’est-à-dire de la position et de l’orientation, d’un premier objet par rapport à un deuxième objet, par mesure au niveau du premier objet d’un champ magnétique oscillant produit par un émetteur solidaire du deuxième objet. La présente invention concerne plus particulièrement la mise en œuvre de cette détermination lorsqu’aucun lien physique ne relie les deux objets.The present invention relates to the determination of at least one component of the pose, i.e. the position and orientation, of a first object relative to a second object, by measuring at the first object an oscillating magnetic field produced by a transmitter secured to the second object. The present invention relates more particularly to the implementation of this determination when no physical link connects the two objects.
Pour déterminer la pose d’un objet, c’est-à-dire sa position et son orientation, dans un référentiel, il est connu d’utiliser des systèmes de détermination de pose de technologie magnétique, couramment appelés EMTs (de l’anglais « Electromagnetic tracker »). Ces systèmes comprennent généralement un émetteur fixe dans le référentiel, formé de trois bobines agencées de manière à former un trièdre fixe sensiblement orthogonal, et un récepteur solidaire de l’objet dont on veut déterminer la pose, ce récepteur étant formé de trois capteurs magnétiques agencés de manière à former un trièdre mobile sensiblement orthogonal. Des courants électriques fonction du temps circulent dans les bobines de l’émetteur et font apparaître trois champs magnétiques qui sont captés par les capteurs du récepteur. Chaque capteur du récepteur mesure, pour chacun des champs magnétiques émis, la projection de ce champ sur la direction qui dirige le capteur. Cela donne un total de neuf composantes qui permettent de passer du trièdre mobile au trièdre fixe. En effet, ces neuf composantes dépendent de la position et de l’orientation du récepteur relativement à l’émetteur.To determine the pose of an object, i.e. its position and orientation, in a frame of reference, it is known to use magnetic technology pose determination systems, commonly called EMTs (from the English "Electromagnetic tracker"). These systems generally include a fixed transmitter in the frame of reference, formed by three coils arranged so as to form a substantially orthogonal fixed trihedron, and a receiver secured to the object whose pose is to be determined, this receiver being formed by three magnetic sensors arranged so as to form a substantially orthogonal mobile trihedron. Time-dependent electric currents flow in the coils of the transmitter and cause three magnetic fields to appear which are captured by the sensors of the receiver. Each sensor of the receiver measures, for each of the magnetic fields emitted, the projection of this field on the direction which directs the sensor. This gives a total of nine components which make it possible to move from the mobile trihedron to the fixed trihedron. In fact, these nine components depend on the position and orientation of the receiver relative to the transmitter.
Pour permettre l’identification, côté récepteur, de la contribution de chaque bobine au champ magnétique capté, plusieurs alternatives existent.To enable the identification, on the receiver side, of the contribution of each coil to the captured magnetic field, several alternatives exist.
Une première alternative, décrite dans US 5,453,686 emploie le multiplexage temporel : chaque bobine produit successivement un champ magnétique continu durant une plage temporelle spécifique. Ainsi, à chaque instant, les capteurs du récepteur ne mesurent que les composantes du champ magnétique émis par une unique bobine. Cette technique présente cependant de nombreux inconvénients. Tout d’abord, le champ magnétique mesuré côté récepteur est perturbé par les champs magnétiques constants, tels que le champ magnétique terrestre, qui sont eux-mêmes perturbés par les sols et parois comprenant des éléments métalliques. Ensuite, cette technique nécessite d’utiliser en tant que capteurs des magnétomètres qui sont particulièrement difficiles à mettre en œuvre sur une plage étendue.A first alternative, described in US 5,453,686, uses time multiplexing: each coil successively produces a continuous magnetic field during a specific time range. Thus, at each instant, the receiver sensors only measure the components of the magnetic field emitted by a single coil. However, this technique has many drawbacks. First of all, the magnetic field measured on the receiver side is disturbed by constant magnetic fields, such as the Earth's magnetic field, which are themselves disturbed by floors and walls containing metal elements. Then, this technique requires the use of magnetometers as sensors, which are particularly difficult to implement over a wide range.
Une autre alternative consiste à exciter les bobines de l’émetteur au moyen de courants alternatifs à des fréquences propres. Les champs magnétiques générés sont ainsi des champs magnétiques alternatifs qui peuvent être distingués les uns des autres par démodulation au moyen de la connaissance de la fréquence d’excitation des bobines. La sensibilité aux champs magnétiques constants peut ainsi être négligée et les capteurs peuvent être formés de simples bobines aux bornes desquelles la tension induite est mesurée.Another alternative is to excite the transmitter coils by means of alternating currents at natural frequencies. The magnetic fields generated are thus alternating magnetic fields which can be distinguished from each other by demodulation by means of knowledge of the excitation frequency of the coils. The sensitivity to constant magnetic fields can thus be neglected and the sensors can be formed of simple coils at the terminals of which the induced voltage is measured.
Cette deuxième alternative présente cependant un inconvénient : pour déterminer le signe de chaque composante de chacun des champs magnétiques générés par l’émetteur, il est nécessaire que le signal d’horloge du récepteur soit synchrone avec celui de l’émetteur. En effet, sans cette synchronisation, la référence temporelle des signaux mesurés par les capteurs du récepteur se retrouve déphasée d’un déphasage inconnu par rapport à la référence temporelle des champs magnétiques émis, ce qui engendre un doute quant aux signes des composantes des champs magnétiques mesurés.This second alternative, however, has a drawback: to determine the sign of each component of each of the magnetic fields generated by the transmitter, it is necessary for the receiver's clock signal to be synchronous with that of the transmitter. Indeed, without this synchronization, the time reference of the signals measured by the receiver's sensors is out of phase by an unknown phase shift compared to the time reference of the emitted magnetic fields, which gives rise to doubt as to the signs of the components of the measured magnetic fields.
Ce besoin de synchronisation des signaux d’horloge rend difficile la mise au point de systèmes EMTs sans fils, c’est-à-dire dépourvus de connexion physique entre l’émetteur et le récepteur. En effet, s’il a été proposé des solutions de synchronisation des signaux d’horloge de l’émetteur et du récepteur sans connexion physique entre les deux, ces solutions présentent encore de trop nombreux inconvénients.This need for clock signal synchronization makes it difficult to develop wireless EMT systems, i.e. systems without a physical connection between the transmitter and the receiver. Indeed, although solutions have been proposed for synchronizing the clock signals of the transmitter and receiver without a physical connection between the two, these solutions still have too many drawbacks.
Par exemple, il a été proposé de synchroniser les signaux d’horloge grâce à un signal de synchronisation émis par l’émetteur à destination du récepteur, ce signal de synchronisation étant soit émis par un transmetteur dédié, soit intégré aux courants d’excitation des bobines de l’émetteur (par exemple en consistant en une interruption périodique de l’émission des champs magnétiques). Ces solutions ne sont cependant pas entièrement satisfaisantes, car lourdes à mettre en œuvre et nécessitant des composants additionnels ou réduisant la disponibilité des mesures finales et/ou la latence du système.For example, it has been proposed to synchronize the clock signals using a synchronization signal emitted by the transmitter to the receiver, this synchronization signal being either emitted by a dedicated transmitter or integrated into the excitation currents of the transmitter coils (for example by consisting of a periodic interruption of the emission of the magnetic fields). These solutions are however not entirely satisfactory, because they are cumbersome to implement and require additional components or reduce the availability of the final measurements and/or the latency of the system.
Il a également été proposé dans FR 3 012 888 d’exciter chaque bobine de l’émetteur non pas au moyen d’un signal alternatif, mais au moyen d’une séquence binaire pseudo-aléatoire, la démodulation étant alors basée sur le calcul d’une fonction de corrélation. Si cette méthode conduit naturellement à un alignement des séquences qui permet de résoudre les problèmes de phase, elle induit une latence importante qui nécessite pour être compensée l’utilisation d’autres capteurs tels qu’une centrale inertielle, ce qui a pour inconvénient de renchérir et complexifier le système.It was also proposed in FR 3 012 888 to excite each coil of the transmitter not by means of an alternating signal, but by means of a pseudo-random binary sequence, the demodulation then being based on the calculation of a correlation function. While this method naturally leads to an alignment of the sequences which makes it possible to resolve phase problems, it induces a significant latency which requires the use of other sensors such as an inertial unit to be compensated for, which has the disadvantage of making the system more expensive and complex.
Pour résoudre ces problèmes, il a encore été tenté de se passer de la synchronisation des signaux d’horloge en proposant des solutions de démodulation asynchrone permettant de lever les doutes sur les signes des composantes des champs magnétiques mesurés.To solve these problems, attempts have been made to do without the synchronization of clock signals by proposing asynchronous demodulation solutions to remove doubts about the signs of the components of the measured magnetic fields.
Une de ces solutions, décrite dans US 10,746,819, consiste à combiner le système EMT à une centrale inertielle pour lever l’ambiguïté existant sur les signes des composantes des champs magnétiques mesurés. Cette solution a cependant pour inconvénient de renchérir et complexifier le système en nécessitant l’intégration de capteurs externes.One of these solutions, described in US 10,746,819, consists of combining the EMT system with an inertial unit to remove the ambiguity existing on the signs of the components of the measured magnetic fields. This solution, however, has the disadvantage of making the system more expensive and complex by requiring the integration of external sensors.
Une autre solution consiste à suivre le déplacement du récepteur relativement à l’émetteur ou, ainsi que cela est décrit dans US 20080120061, à suivre les décalages de phase entre les champs émis et les signaux de référence produits par le récepteur, après une étape d’initialisation consistant à amener le récepteur dans une pose connue. Cette solution est cependant contraignante puisqu’elle nécessite avant toute utilisation du système une phase d’initialisation. En outre, elle est vulnérable aux pertes de signaux entre l’émetteur et le récepteur, par exemple par masquage ou éloignement.Another solution consists in tracking the movement of the receiver relative to the transmitter or, as described in US 20080120061, in tracking the phase shifts between the emitted fields and the reference signals produced by the receiver, after an initialization step consisting in bringing the receiver into a known pose. This solution is however restrictive since it requires an initialization phase before any use of the system. In addition, it is vulnerable to signal losses between the transmitter and the receiver, for example by masking or distance.
Un objectif de l’invention est de permettre, de manière simple, robuste et peu onéreuse, la détermination d’au moins une composante de la pose d’un premier objet par rapport à un deuxième objet, par mesure au niveau du premier objet d’un champ magnétique oscillant produit par un émetteur solidaire du deuxième objet. D’autres objectifs sont de limiter le recours aux capteurs additionnels (autres que les capteurs magnétiques), de pouvoir se dispenser de connexion physique et de synchronisation des signaux entre l’émetteur et le récepteur, et de se passer d’étape d’initialisation consistant à amener le récepteur dans une pose connue au moins approximativement. A cet effet, l’invention a pour objet, selon un premier aspect, un procédé de détermination d’au moins une composante de la pose d’un récepteur relativement à un émetteur, l’émetteur comprenant au moins deux générateurs magnétiques chacun orienté suivant une direction propre et apte à générer un champ magnétique alternatif à une fréquence propre, les générateurs magnétiques étant agencés relativement les uns aux autres de sorte que leurs directions soient deux à deux non coaxiales et non orthogonales, et le récepteur étant apte à mesurer les composantes d’un champ magnétique résultant, formé de la superposition des champs magnétiques alternatifs générés par les générateurs magnétiques de l’émetteur, suivant trois directions non coplanaires, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- mesure du champ magnétique résultant par le récepteur de manière à obtenir un signal de mesure représentatif du champ magnétique résultant,
- démodulation du signal de mesure de manière à déterminer une pluralité de mesures candidates formées chacune d’un ensemble de contributions candidates de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique résultant,
- application à chaque mesure candidate d’un correctif visant à compenser l’effet induit sur le signal de mesure par le défaut d’orthogonalité des directions des générateurs magnétiques, de manière à obtenir pour chaque mesure candidate une mesure corrigée correspondante,
- calcul, pour chaque mesure candidate, au moyen de la mesure corrigée correspondante, d’une donnée représentative de la vraisemblance que cette mesure candidate donne les contributions réelles de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique résultant,
- sélection d’une mesure sélectionnée parmi les mesures candidates, la mesure sélectionnée étant constitué par celle des mesures candidates dont la donnée représentative indique la vraisemblance la plus élevée, et
- déduction, à partir de la mesure corrigée correspondant à la mesure sélectionné, de ladite au moins une composante de la pose du récepteur relativement à l’émetteur.
- measurement of the resulting magnetic field by the receiver so as to obtain a measurement signal representative of the resulting magnetic field,
- demodulating the measurement signal so as to determine a plurality of candidate measurements each formed from a set of candidate contributions from each generated alternating magnetic field to each component of the resulting magnetic field,
- application to each candidate measurement of a correction aimed at compensating for the effect induced on the measurement signal by the lack of orthogonality of the directions of the magnetic generators, so as to obtain for each candidate measurement a corresponding corrected measurement,
- calculation, for each candidate measurement, by means of the corresponding corrected measurement, of data representing the likelihood that this candidate measurement gives the real contributions of each generated alternating magnetic field to each component of the resulting magnetic field,
- selecting a selected measure from among the candidate measures, the selected measure being constituted by that of the candidate measures whose representative data indicates the highest likelihood, and
- deduction, from the corrected measurement corresponding to the selected measurement, of said at least one component of the pose of the receiver relative to the transmitter.
Selon des modes de réalisation particuliers de l’invention, le procédé de détermination présente également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) :
- les générateurs magnétiques sont au moins au nombre de trois et sont agencés relativement les uns aux autres de sorte que leurs directions soient non coplanaires ;
- le correctif est commun à toutes les mesures candidates ;
- les générateurs magnétiques ont des centres sensiblement confondus ;
- le calcul de la donnée représentative de la vraisemblance comprend la sous-étape suivante : pour chaque mesure candidate, estimation d’une distance de la mesure corrigée correspondante à un espace de référence constitué des mesures pouvant être obtenues dans un modèle du système formé de l’émetteur et du récepteur dans lequel les générateurs magnétiques sont orthogonaux les uns aux autres, la donnée représentative de la vraisemblance étant fonction de ladite distance ;
- le calcul de la donnée représentative de la vraisemblance comprend, pour chaque mesure candidate, les sous-étapes suivantes :
- déduction, à partir de la mesure corrigée correspondante, d’une pose candidate du récepteur relativement à l’émetteur,
- estimation d’une mesure théorique du champ magnétique résultant dans la pose candidate dans un modèle du système formé de l’émetteur et du récepteur, et
- évaluation d’une distance de la mesure candidate ou de la mesure corrigée correspondante à ladite mesure théorique, la donnée représentative de la vraisemblance étant fonction de ladite distance ;
- le modèle du système tient compte du défaut d’orthogonalité des générateurs magnétiques et la distance évaluée à l’étape d’évaluation consiste en une distance de la mesure candidate à ladite mesure théorique;
- le modèle du système considère les générateurs magnétiques orthogonaux les uns et aux autres, et la distance évaluée à l’étape d’évaluation consiste en une distance de la mesure corrigée à ladite mesure théorique;
- la donnée représentative est une fonction décroissante, respectivement croissante, de la vraisemblance, le procédé comprenant une étape supplémentaire de comparaison de la donnée représentative de chaque mesure candidate à un seuil prédéterminé, la sélection de la mesure sélectionnée n’étant basée sur les données représentatives des mesures candidates que si la donnée représentative d’une unique mesure candidate est inférieure, respectivement supérieure, audit seuil prédéterminé;
- lorsqu’il n’y a pas une unique mesure candidate dont la donnée représentative est inférieure, respectivement supérieure, au seuil prédéterminé, le procédé comprend les étapes suivantes :
- déduction, pour chaque mesure candidate, à partir de la mesure corrigée correspondante, d’une pose candidate du récepteur relativement à l’émetteur, et
- calcul d’une distance de la pose candidate à une pose antérieure, la mesure sélectionnée étant constituée par celle des mesures candidates pour laquelle la pose candidate correspondante présente la plus faible distance à la pose antérieure ; et
- lorsqu’il n’y a pas une unique mesure candidate dont la donnée représentative est inférieure, respectivement supérieure, au seuil prédéterminé, l’étape suivante :
- détermination, pour chaque champ magnétique alternatif généré, de déphasages candidats dudit champ magnétique alternatif généré par rapport à un signal de démodulation utilisé pour démoduler le signal de mesure, et
- sélection, pour chaque champ magnétique alternatif, de celui des déphasages candidats qui minimise un écart avec un déphasage antérieur dudit champ magnétique alternatif généré par rapport à ce même signal de démodulation, la mesure sélectionnée étant constituée par celle des mesures candidates pour laquelle, pour chaque champ magnétique alternatif généré, les signes des contributions candidates sont cohérents avec le déphasage sélectionné.
- the magnetic generators are at least three in number and are arranged relative to each other so that their directions are non-coplanar;
- the fix is common to all candidate measures;
- magnetic generators have centers that are substantially coincident;
- the calculation of the data representative of the likelihood comprises the following sub-step: for each candidate measurement, estimation of a distance of the corrected measurement corresponding to a reference space consisting of the measurements that can be obtained in a model of the system formed by the transmitter and the receiver in which the magnetic generators are orthogonal to each other, the data representative of the likelihood being a function of said distance;
- the calculation of the data representing the likelihood includes, for each candidate measure, the following sub-steps:
- deduction, from the corresponding corrected measurement, of a candidate pose of the receiver relative to the transmitter,
- estimation of a theoretical measurement of the resulting magnetic field in the candidate pose in a model of the system formed by the transmitter and the receiver, and
- evaluation of a distance from the candidate measurement or from the corrected measurement corresponding to said theoretical measurement, the data representing the likelihood being a function of said distance;
- the system model takes into account the lack of orthogonality of the magnetic generators and the distance evaluated at the evaluation step consists of a distance from the candidate measurement to said theoretical measurement ;
- the system model considers the magnetic generators orthogonal to each other, and the distance evaluated at the evaluation step consists of a distance from the corrected measurement to said theoretical measurement;
- the representative data is a decreasing, respectively increasing, function of the likelihood, the method comprising an additional step of comparing the representative data of each candidate measurement to a predetermined threshold, the selection of the selected measurement being based on the representative data of the candidate measurements only if the representative data of a single candidate measurement is lower, respectively higher, than said predetermined threshold;
- when there is not a single candidate measurement whose representative data is lower, respectively higher, than the predetermined threshold, the method comprises the following steps:
- deduction, for each candidate measurement, from the corresponding corrected measurement, of a candidate pose of the receiver relative to the transmitter, and
- calculating a distance from the candidate pose to a prior pose, the selected measurement being that of the candidate measurements for which the corresponding candidate pose has the smallest distance to the prior pose; and
- when there is not a single candidate measure whose representative data is lower, respectively higher, than the predetermined threshold, the following step:
- determining, for each generated alternating magnetic field, candidate phase shifts of said generated alternating magnetic field relative to a demodulation signal used to demodulate the measurement signal, and
- selecting, for each alternating magnetic field, that of the candidate phase shifts which minimizes a deviation from a previous phase shift of said alternating magnetic field generated with respect to this same demodulation signal, the selected measurement being constituted by that of the candidate measurements for which, for each alternating magnetic field generated, the signs of the candidate contributions are consistent with the selected phase shift.
L’invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour la mise en œuvre, par un processeur, d’un procédé de détermination selon le premier aspect.The invention also relates, according to a second aspect, to a computer program product comprising code instructions for the implementation, by a processor, of a determination method according to the first aspect.
L’invention a encore pour objet, selon un troisième aspect, un support d’enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est stocké un produit programme d’ordinateur selon le deuxième aspect.The invention also relates, according to a third aspect, to a recording medium readable by a computer on which a computer program product according to the second aspect is stored.
L’invention a aussi pour objet, selon un quatrième aspect, un émetteur pour la mise en œuvre d’un procédé de détermination selon le premier aspect, l’émetteur comprenant au moins deux générateurs magnétiques chacun orienté suivant une direction propre et apte à générer un champ magnétique alternatif à une fréquence propre, les générateurs magnétiques étant agencés relativement les uns aux autres de sorte que :
- un premier générateur soit orienté suivant une première direction de générateur confondue avec une première direction d’un repère orthogonal attaché à l’émetteur, et
- un deuxième générateur soit orienté suivant une deuxième direction de générateur formant un premier angle avec une deuxième direction du repère orthogonal et comprise dans un plan défini par les première et deuxième directions du repère orthogonal, le premier angle étant supérieur ou égal à 0,05 radians.
- a first generator is oriented according to a first generator direction coincident with a first direction of an orthogonal reference attached to the transmitter, and
- a second generator is oriented along a second generator direction forming a first angle with a second direction of the orthogonal reference frame and included in a plane defined by the first and second directions of the orthogonal reference frame, the first angle being greater than or equal to 0.05 radians.
Selon des modes de réalisation particuliers de l’invention, l’émetteur présente également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) :
- un troisième générateur magnétique apte à générer un champ magnétique alternatif à une fréquence propre, ledit troisième générateur étant orienté suivant une troisième direction de générateur formant un deuxième angle, supérieur ou égal à 0,05 radians, avec une troisième direction du repère orthogonal ; et
- la troisième direction de générateur est non coplanaire avec chacun des plans définis par deux des trois directions suivantes : la première direction de générateur, la deuxième direction de générateur et la troisième direction du repère orthogonal.
- a third magnetic generator capable of generating an alternating magnetic field at a natural frequency, said third generator being oriented in a third generator direction forming a second angle, greater than or equal to 0.05 radians, with a third direction of the orthogonal reference; and
- the third generator direction is non-coplanar with each of the planes defined by two of the following three directions: the first generator direction, the second generator direction, and the third direction of the orthogonal coordinate system.
L’invention a enfin pour objet, selon un cinquième aspect, un système de détermination d’au moins une composante de la pose d’un premier objet relativement à un deuxième objet, ledit système de détermination comprenant :
- un émetteur solidaire du deuxième objet, ledit émetteur comprenant au moins deux générateurs magnétiques chacun orienté suivant une direction propre et apte à générer un champ magnétique alternatif à une fréquence propre, les générateurs magnétiques étant agencés relativement les uns aux autres de sorte que leurs directions soient deux à deux non coaxiales et non orthogonales,
- un récepteur solidaire du premier objet, ledit récepteur étant apte à mesurer les composantes d’un champ magnétique résultant, formé de la superposition des champs magnétiques alternatifs générés par les générateurs magnétiques de l’émetteur, suivant trois directions non coplanaires, et
- une unité de traitement de données configurée pour la mise en œuvre d’un procédé de détermination selon le premier aspect.
- a transmitter secured to the second object, said transmitter comprising at least two magnetic generators each oriented in a specific direction and capable of generating an alternating magnetic field at a specific frequency, the magnetic generators being arranged relative to each other so that their directions are two by two non-coaxial and non-orthogonal,
- a receiver secured to the first object, said receiver being capable of measuring the components of a resulting magnetic field, formed from the superposition of the alternating magnetic fields generated by the magnetic generators of the transmitter, in three non-coplanar directions, and
- a data processing unit configured to implement a determination method according to the first aspect.
Selon des modes de réalisation particuliers de l’invention, le système de détermination présente également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) :
- les générateurs magnétiques sont au moins au nombre de trois et sont agencés relativement les uns aux autres de sorte que leurs directions soient non coplanaires ; et
- l’émetteur est constitué par un émetteur selon le quatrième aspect.
- the magnetic generators are at least three in number and are arranged relative to each other so that their directions are non-coplanar; and
- the transmitter is constituted by a transmitter according to the fourth aspect.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
- la
- la
- la
- la
- la
- la
- la
- la
- there
- there
- there
- there
- there
- there
- there
- there
L’ensemble 10 représenté sur la
Le premier objet 12 est constitué par un objet mobile dans un référentiel inertiel et dont on souhaite suivre le déplacement relativement à ce référentiel inertiel.The first object 12 consists of a mobile object in an inertial frame of reference and whose movement relative to this inertial frame of reference we wish to follow.
Le deuxième objet 14 est constitué par un objet dont la pose dans le référentiel inertiel est connue. Ici et dans la suite, on définit la pose comme étant constituée de l’ensemble des données de position et d’orientation d’un objet dans l’espace. Dans un espace à trois dimensions, la pose comprend donc six composantes, constituées de :
- trois composantes de position, et
- trois composantes d’orientation.
- three position components, and
- three orientation components.
Le deuxième objet 14 est par exemple constitué par une structure fixe dans le référentiel inertiel. En variante (non représentée), le deuxième objet est lui-même mobile dans le référentiel inertiel mais est équipé de capteurs permettant de suivre le déplacement du deuxième objet dans le référentiel inertiel.The second object 14 is for example constituted by a structure fixed in the inertial frame of reference. As a variant (not shown), the second object is itself mobile in the inertial frame of reference but is equipped with sensors making it possible to track the movement of the second object in the inertial frame of reference.
Le premier objet 12 et le deuxième objet 14 sont typiquement disposés l’un relativement à l’autre de sorte qu’il n’y ait pas de ligne de vue permanente entre les deux objets 12, 14. En d’autres termes, le premier objet 12 est susceptible d’être masqué à la vue du deuxième objet 14 au cours de son déplacement.The first object 12 and the second object 14 are typically arranged relative to each other such that there is no permanent line of sight between the two objects 12, 14. In other words, the first object 12 is likely to be obscured from view by the second object 14 as it moves.
La vitesse de déplacement du premier objet 12 relativement au deuxième objet 14 est typiquement inférieure à 30 m/s et 10 rad/s.The speed of movement of the first object 12 relative to the second object 14 is typically less than 30 m/s and 10 rad/s.
Par exemple, le premier objet 12 est constitué d’un stylo et le deuxième objet 14 est constitué d’un boîtier immobile relativement à la surface d’écriture : il est ainsi possible d’enregistrer l’écriture. En variante, le premier objet 12 est constitué par un casque et le deuxième objet 14 par une structure fixe dans l’environnement de déplacement du casque.For example, the first object 12 consists of a pen and the second object 14 consists of a housing that is stationary relative to the writing surface: it is thus possible to record the writing. Alternatively, the first object 12 consists of a headset and the second object 14 consists of a structure that is stationary in the environment in which the headset moves.
Un repère primaire (R1) est attaché au premier objet 12. Ce repère primaire (R1) est un repère orthogonal direct d’origine O1formé d’un triplet d’axes, représenté sur la
- un premier axe primaire
- un deuxième primaire axe
- un troisième axe primaire
- a first primary axis
- a second primary axis
- a third primary axis
Un repère secondaire (R2) est attaché au deuxième objet 12. Ce repère secondaire (R2) est un repère orthogonal direct d’origine O2formé d’un triplet d’axes, représenté sur la
- un premier axe secondaire
- un deuxième axe secondaire
- un troisième axe secondaire
- a first secondary axis
- a second secondary axis
- a third secondary axis
La pose du premier objet 12 relativement au premier objet 14 peut être caractérisée par l’ensemble formé de la matrice rotation R convertissant les axes
L’ensemble 10 comprend également un système de détermination 20 destiné à la détermination de la pose du premier objet 12 relativement au deuxième objet 14. Ce système de détermination 20 est constitué par un système de suivi électromagnétique, ou EMT. Il comprend un dispositif d’émission 21 qui comporte un émetteur 22 solidaire du deuxième objet 14 et un dispositif de réception 23 qui comporte un récepteur 24 solidaire du premier objet 12.The assembly 10 also comprises a determination system 20 intended for determining the pose of the first object 12 relative to the second object 14. This determination system 20 is constituted by an electromagnetic tracking system, or EMT. It comprises a transmission device 21 which comprises a transmitter 22 secured to the second object 14 and a reception device 23 which comprises a receiver 24 secured to the first object 12.
Lesdits émetteur 22 et récepteur 24 sont typiquement configurés pour être fonctionnels lorsque distants d’une distance inférieure à 10 m. Cela permet de limiter l’encombrement de l’émetteur 22 et du récepteur 24.Said transmitter 22 and receiver 24 are typically configured to be functional when separated by a distance of less than 10 m. This makes it possible to limit the size of the transmitter 22 and the receiver 24.
L’émetteur 22 comprend au moins deux, ici trois, générateurs magnétiques 30, 32, 34. Chaque générateur magnétique 30, 32, 34 se comporte essentiellement comme un dipôle magnétique ayant un moment dipolaire magnétique alternatif d’amplitude m et de fréquence ω. Il est orienté suivant une direction propre, respectivement g1, g2, g3, définie ici et dans la suite comme la direction dudit moment dipolaire.The transmitter 22 comprises at least two, here three, magnetic generators 30, 32, 34. Each magnetic generator 30, 32, 34 behaves essentially as a magnetic dipole having an alternating magnetic dipole moment of amplitude m and frequency ω. It is oriented in a specific direction, respectively g 1 , g 2 , g 3 , defined here and hereinafter as the direction of said dipole moment.
L’amplitude m du moment dipolaire est de préférence sensiblement égale pour tous les générateurs 30, 32, 34. La fréquence ω du moment dipolaire est en revanche propre à chaque générateur 30, 32, 34, de sorte que chaque générateur 30, 32, 34 est ainsi apte à générer un champ magnétique alternatif à une fréquence propre.The amplitude m of the dipole moment is preferably substantially equal for all the generators 30, 32, 34. The frequency ω of the dipole moment is, on the other hand, specific to each generator 30, 32, 34, such that each generator 30, 32, 34 is thus capable of generating an alternating magnetic field at a specific frequency.
A cet effet, chaque générateur magnétique 30, 32, 34 comprend une bobine, respectivement 36, 38, 40, reliée à un générateur de courant d’excitation de la bobine, respectivement 42, 44, 46. Chaque bobine 36, 38, 40 est orientée suivant une direction propre, définie par l’axe autour duquel s’étend la bobine, cette direction constituant la direction d’orientation du générateur magnétique 30, 32, 34 auquel elle appartient.For this purpose, each magnetic generator 30, 32, 34 comprises a coil, respectively 36, 38, 40, connected to a generator of excitation current of the coil, respectively 42, 44, 46. Each coil 36, 38, 40 is oriented in its own direction, defined by the axis around which the coil extends, this direction constituting the direction of orientation of the magnetic generator 30, 32, 34 to which it belongs.
Chaque générateur de courant 42, 44, 46 appartient au dispositif d’émission 21. Chaque générateur de courant 42, 44, 46 est par exemple, comme représenté, intégré au deuxième objet 14. En variante (non représentée), au moins une partie des générateurs de courant 42, 44, 46 est déportée relativement au deuxième objet 14.Each current generator 42, 44, 46 belongs to the transmission device 21. Each current generator 42, 44, 46 is for example, as shown, integrated into the second object 14. As a variant (not shown), at least part of the current generators 42, 44, 46 is offset relative to the second object 14.
Chaque générateur de courant 42, 44, 46 est configuré pour générer le courant d’excitation de la bobine correspondante 36, 38, 40 à une fréquence propre, cette fréquence constituant la fréquence du champ magnétique alternatif généré par le générateur magnétique 30, 32, 34 auquel appartient la bobine 36, 38, 40 reliée à ce générateur de courant 42, 44, 46.Each current generator 42, 44, 46 is configured to generate the excitation current of the corresponding coil 36, 38, 40 at a natural frequency, this frequency constituting the frequency of the alternating magnetic field generated by the magnetic generator 30, 32, 34 to which the coil 36, 38, 40 connected to this current generator 42, 44, 46 belongs.
Chaque générateur de courant 42, 44, 46 est en particulier configuré pour générer le courant d’excitation de la bobine correspondante 36, 38, 40 à une fréquence comprise entre 1 et 100 kHz.Each current generator 42, 44, 46 is in particular configured to generate the excitation current of the corresponding coil 36, 38, 40 at a frequency between 1 and 100 kHz.
Les générateurs magnétiques 30, 32, 34 sont agencés les uns relativement aux autres de sorte que :
- un premier générateur 30 soit orienté suivant une première direction de générateur g1confondue avec le premier axe secondaire
- un deuxième générateur 32 soit orienté suivant une deuxième direction de générateur g2formant un premier angle θ non nul avec le deuxième axe secondaire
- un troisième générateur 34 soit orienté suivant une troisième direction de générateur g3formant un deuxième angle φ non nul avec le troisième axe secondaire
- le plan défini par la première direction de générateur g1et la deuxième direction de générateur g2,
- le plan défini par la première direction de générateur g1et le troisième axe secondaire
- le plan défini par la deuxième direction de générateur g2et le troisième axe secondaire
- a first generator 30 is oriented according to a first generator direction g 1 coincident with the first secondary axis
- a second generator 32 is oriented along a second generator direction g 2 forming a first non-zero angle θ with the second secondary axis
- a third generator 34 is oriented along a third generator direction g 3 forming a second non-zero angle φ with the third secondary axis
- the plane defined by the first generator direction g 1 and the second generator direction g 2 ,
- the plane defined by the first generator direction g 1 and the third secondary axis
- the plane defined by the second generator direction g 2 and the third secondary axis
La troisième direction de générateur g3et le troisième axe secondaire
Le premier angle θ est en particulier supérieur ou égal à 0,01 radian, de préférence supérieur ou égal à 0,05 radian, par exemple supérieur ou égal à 0,1 radian. Il est typiquement strictement inférieur à
Le deuxième angle φ est en particulier supérieur ou égal à 0,01 radian, de préférence supérieur ou égal à 0,05 radian, par exemple supérieur ou égal à 0,1 radian. Il est typiquement strictement inférieur à
Le troisième angle ψ est particulier supérieur ou égal à 0,05 radian, de préférence supérieur ou égal à 0,1 radian. Il est typiquement inférieur à l’angle entre les première et deuxième directions de générateur g1, g2et avantageusement strictement inférieur à
De préférence, les générateurs magnétiques 30, 32, 34 ont des centres sensiblement confondus, c’est-à-dire qu’ils peuvent être modélisés comme des dipôles magnétiques sensiblement de même centre. A cet effet, les bobines 36, 38, 40 ont des centres sensiblement confondus, c’est-à-dire que les centres des bobines sont deux à deux distants d’une distance inférieure au rayon moyen des bobines 36, 38, 40. Le centre des générateurs magnétiques 30, 32, 34 constitue l’origine O2du repère secondaire (R2).Preferably, the magnetic generators 30, 32, 34 have substantially coincident centers, that is to say that they can be modeled as magnetic dipoles substantially of the same center. For this purpose, the coils 36, 38, 40 have substantially coincident centers, that is to say that the centers of the coils are two by two distant from each other by a distance less than the average radius of the coils 36, 38, 40. The center of the magnetic generators 30, 32, 34 constitutes the origin O 2 of the secondary reference frame (R 2 ).
Le dispositif d’émission 21 comprend encore une horloge 48 fournissant un signal de référence représentatif du temps. Ce signal de référence est utilisé par les générateurs magnétiques 30, 32, 34 pour faire varier dans le temps les champs magnétiques alternatifs qu’ils génèrent.The transmission device 21 also comprises a clock 48 providing a reference signal representative of the time. This reference signal is used by the magnetic generators 30, 32, 34 to vary over time the alternating magnetic fields that they generate.
Le récepteur 24 est apte à mesurer les composantes d’un champ magnétique résultant, formé de la superposition des champs magnétiques alternatifs générés par les générateurs 30, 32, 34 de l’émetteur 22, suivant les trois axes
A cet effet, le récepteur 24 comprend trois capteurs magnétiques 50, 52, 54 chacun apte à mesure une composante du champ magnétique résultant suivant une direction de mesure c1, c2, c3propre au capteur 50, 52, 54, ces directions de mesure c1, c2, c3étant non coplanaires. Ces capteurs 50, 52, 54 sont de préférence agencés de sorte que leurs directions de mesure c1, c2, c3soient sensiblement orthogonales les unes aux autres, chaque direction de mesure c1, c2, c3étant typiquement, comme représenté, sensiblement colinéaire à l’un des axes
Chaque capteur magnétique 50, 52, 54 est ici formé d’une bobine, respectivement 56, 58, 60, reliée à un tensiomètre, respectivement 62, 64, 66, mesurant la tension aux bornes de la bobine. Chaque bobine 56, 58, 60 est orientée suivant une direction propre, définie par l’axe autour duquel s’étend la bobine, cette direction constituant la direction de mesure du capteur magnétique 50, 52, 54 auquel elle appartient.Each magnetic sensor 50, 52, 54 is here formed of a coil, respectively 56, 58, 60, connected to a tensiometer, respectively 62, 64, 66, measuring the voltage at the terminals of the coil. Each coil 56, 58, 60 is oriented in its own direction, defined by the axis around which the coil extends, this direction constituting the measurement direction of the magnetic sensor 50, 52, 54 to which it belongs.
Chaque tensiomètre 62, 64, 66 appartient au dispositif de réception 23. Chaque tensiomètre 62, 64, 66 est par exemple, comme représenté, intégré au premier objet 12. En variante (non représentée), au moins une partie des tensiomètres 62, 64, 66 est déportée relativement au premier objet 12.Each tensiometer 62, 64, 66 belongs to the receiving device 23. Each tensiometer 62, 64, 66 is for example, as shown, integrated into the first object 12. As a variant (not shown), at least part of the tensiometers 62, 64, 66 is offset relative to the first object 12.
Chaque tensiomètre 62, 64, 66 est propre à produire un signal de tension représentatif de la tension aux bornes de la bobine 56, 58, 60 associée et donc représentatif de la composante du champ magnétique résultant suivant l’une des directions de mesure c1, c2, c3.Each tensiometer 62, 64, 66 is capable of producing a voltage signal representative of the voltage at the terminals of the associated coil 56, 58, 60 and therefore representative of the component of the resulting magnetic field along one of the measurement directions c 1 , c 2 , c 3 .
A cet effet, chaque tensiomètre 62, 64, 66 est typiquement réalisé sous la forme d’un amplificateur couplé à un convertisseur analogique/numérique (ADC).For this purpose, each tensiometer 62, 64, 66 is typically produced in the form of an amplifier coupled to an analog/digital converter (ADC).
Les signaux de tension produits par les tensiomètres 62, 64, 66 forment ensemble un signal de mesure. Les directions de mesure c1, c2, c3étant non coplanaires, ce signal de mesure est représentatif du champ magnétique résultant au niveau du récepteur 24.The voltage signals produced by the tensiometers 62, 64, 66 together form a measurement signal. The measurement directions c 1 , c 2 , c 3 being non-coplanar, this measurement signal is representative of the resulting magnetic field at the receiver 24.
Le dispositif de réception 23 comprend également un démodulateur 70.The receiving device 23 also comprises a demodulator 70.
Ce démodulateur 70 est par exemple, comme représenté, intégré au premier objet 12. En variante (non représentée), le démodulateur 70 est déportée relativement au premier objet 12.This demodulator 70 is for example, as shown, integrated into the first object 12. As a variant (not shown), the demodulator 70 is offset relative to the first object 12.
En référence à la
Chaque signal de démodulation est constitué d’un signal sinusoïdal de fréquence égale à celle de l’un des champs magnétiques alternatifs. Il est fonction d’un signal de référence, représentatif du temps, fourni par une horloge 80 (
Les signaux de démodulation comprennent trois paires de signaux de démodulation telles que les signaux de démodulation composant chaque paire soient à la même fréquence, cette fréquence étant différente de celle de chaque autre paire, et déphasés l’un par rapport à l’autre de
L’horloge 80 du récepteur 24 n’est pas synchronisé avec l’horloge 48 de l’émetteur 22. En conséquence, pour chaque champ magnétique alternatif généré par l’émetteur 22, les signaux de démodulation de la paire associée audit champ magnétique alternatif sont à chaque instant déphasés relativement au champ magnétique alternatif d’un déphasage inconnu Δφj. Ce déphasage inconnu Δφjest en effet égal à ωj.Δt+ Δφj,0, où ωjest la fréquence du champ magnétique alternatif (et donc également des signaux de démodulation de la paire associée), Δφj, 0est un déphasage initial (qui peut être nul), et Δt est la déviation temporelle entre les signaux des horloges 80 et 48, cette déviation temporelle Δt étant variable et aléatoire.The clock 80 of the receiver 24 is not synchronized with the clock 48 of the transmitter 22. Consequently, for each alternating magnetic field generated by the transmitter 22, the demodulation signals of the pair associated with said alternating magnetic field are at each instant phase-shifted relative to the alternating magnetic field by an unknown phase shift Δφ j . This unknown phase shift Δφ j is in fact equal to ω j .Δt+ Δφ j,0 , where ω j is the frequency of the alternating magnetic field (and therefore also of the demodulation signals of the associated pair), Δφ j, 0 is an initial phase shift (which may be zero), and Δt is the time deviation between the signals of the clocks 80 and 48, this time deviation Δt being variable and random.
Le démodulateur 70 comprend encore un circuit 82 (réel ou émulé) pour la multiplication de chaque signal de tension u1, u2, u3par chacun des signaux de démodulation et une sortie 84A-84J pour le produit de chacune de ces multiplications. Le démodulateur 70 comprend enfin un filtre passe-bas 86 pour filtrer chacune de ces sorties 84A-84J.The demodulator 70 further comprises a circuit 82 (real or emulated) for multiplying each voltage signal u 1 , u 2 , u 3 by each of the demodulation signals and an output 84A-84J for the product of each of these multiplications. The demodulator 70 finally comprises a low-pass filter 86 for filtering each of these outputs 84A-84J.
De préférence, le démodulateur 70 est réalisé sous la forme d’une carte numérique dotée d’un FPGA («Field-Programmable Gate Array» en anglais), d’un DSP («Digital Signal Processor» en anglais), d’un ASIC («Application- Specific Integrated Circuit» en anglais) et/ou d’un processeur ou CPU («Central Processing Unit» en anglais).Preferably, the demodulator 70 is produced in the form of a digital card equipped with an FPGA (“ Field-Programmable Gate Array ” in English), a DSP (“ Digital Signal Processor ” in English), an ASIC (“ Application- Specific Integrated Circuit ” in English) and/or a processor or CPU (“ Central Processing Unit ” in English).
De retour à la
A cet effet, l’unité de traitement de données 90 est, dans l’exemple représenté, constituée par un microcontrôleur. Elle comprend un processeur ou CPU («Central Processing Unit» en anglais) 92 et une mémoire 94 de type RAM («Random Access Memory» en anglais) et/ou ROM («Read Only Memory» en anglais). Le processeur 92 est configuré pour exécuter des instructions chargées dans la mémoire 94. Lorsque l’unité de traitement 90 est mise sous tension, le processeur 92 est capable de lire des instructions dans la mémoire 94 et de les exécuter. Ces instructions forment un programme d’ordinateur causant la mise en œuvre, par le processeur 92, de certaines étapes d’un procédé 100 (
L’unité de traitement de données 90 comprend par ailleurs une mémoire tampon 96 pour le stockage temporaire d’informations nécessaires à la mise en œuvre du procédé 100.The data processing unit 90 further comprises a buffer memory 96 for the temporary storage of information necessary for the implementation of the method 100.
Dans l’exemple représenté, l’unité de traitement de données 90 est intégrée au premier objet 12. En variante (non représentée), au moins une partie de l’unité de traitement de données 90 est déportée, par exemple dans un terminal mobile (non représenté) et/ou dans un serveur distant (non représenté). En d’autres termes, au moins une partie des étapes du procédé 100 est effectuée par un terminal mobile et/ou un serveur distant. Le premier objet 12 comprend alors un système de communication, typiquement un système de communication sans fil, configuré pour envoyer au terminal mobile et/ou au serveur distant les données du récepteur 24.In the example shown, the data processing unit 90 is integrated into the first object 12. As a variant (not shown), at least part of the data processing unit 90 is remote, for example in a mobile terminal (not shown) and/or in a remote server (not shown). In other words, at least part of the steps of the method 100 is performed by a mobile terminal and/or a remote server. The first object 12 then comprises a communication system, typically a wireless communication system, configured to send the data from the receiver 24 to the mobile terminal and/or to the remote server.
On notera que le démodulateur 70 peut également être déporté hors du premier objet 12.It should be noted that the demodulator 70 can also be moved outside the first object 12.
Un procédé 100 mis en œuvre par le système de détermination 20 va maintenant être décrit, en référence à la
Ce procédé 100 est typiquement mis en œuvre lors d’une étape d’initialisation ou de réinitialisation de la pose du récepteur 24 relativement à l’émetteur 22, la pose du récepteur 24 relativement à l’émetteur 22 étant sinon déterminée par une méthode de suivi telle que celle décrite dans le document H. Wu, Y. Zhao and C. Zhang, "Efficient Hemisphere Unambiguous Magnetic Positioning for Helmet Mounted Sights",2018 IEEE/AIAA 37th Digital Avionics Systems Conference (DASC), London, UK, 2018, pp. 1-6.This method 100 is typically implemented during a step of initializing or resetting the pose of the receiver 24 relative to the transmitter 22, the pose of the receiver 24 relative to the transmitter 22 otherwise being determined by a tracking method such as that described in the document H. Wu, Y. Zhao and C. Zhang, "Efficient Hemisphere Unambiguous Magnetic Positioning for Helmet Mounted Sights", 2018 IEEE/AIAA 37th Digital Avionics Systems Conference (DASC) , London, UK, 2018, pp. 1-6.
Comme visible sur la
Concomitamment à l’étape 110, le champ magnétique résultant est mesuré par le récepteur 24 lors d’une étape 120. Lors de cette étape 120, les bobines 56, 58, 60 des capteurs 50, 52, 54 du récepteur 24 sont excitées par le champ magnétique résultant, ce qui induit une différence de potentiel entre les bornes de chaque bobine 56, 58, 60. Cette différence de potentiel est mesurée par chaque tensiomètre 62, 64, 66, qui produit un signal de tension correspondant. Un signal de mesure, formé des signaux de tension des tensiomètres 62, 64, 66, est ainsi obtenu, ce signal de mesure étant représentatif du champ magnétique résultant au niveau du récepteur 24.Concomitantly with step 110, the resulting magnetic field is measured by the receiver 24 during a step 120. During this step 120, the coils 56, 58, 60 of the sensors 50, 52, 54 of the receiver 24 are excited by the resulting magnetic field, which induces a potential difference between the terminals of each coil 56, 58, 60. This potential difference is measured by each tensiometer 62, 64, 66, which produces a corresponding voltage signal. A measurement signal, formed from the voltage signals of the tensiometers 62, 64, 66, is thus obtained, this measurement signal being representative of the resulting magnetic field at the receiver 24.
Ensuite, lors d’une étape 130, le signal de mesure est démodulé par le démodulateur 70. Lors de cette étape 130, chaque signal de tension u1, u2, u3produit par un capteur 50, 52, 54 respectif est multiplié par chacun des signaux de démodulation et le produit de cette multiplication est filtré par un filtre passe-bas. Dix-huit valeurs Pi,j,kavec i compris entre 1 et 3, j compris entre 1 et 3 et k égal à 1 ou 2 sont ainsi obtenues, chaque valeur Pi,j,kétant la valeur résultant du produit du signal de tension uiavec un signal sinusoïdal de démodulation à la fréquence du champ magnétique généré par le générateur 30, 32, 34 orienté suivant la direction gj.Then, in a step 130, the measurement signal is demodulated by the demodulator 70. In this step 130, each voltage signal u 1 , u 2 , u 3 produced by a respective sensor 50, 52, 54 is multiplied by each of the demodulation signals and the product of this multiplication is filtered by a low-pass filter. Eighteen values P i,j,k with i between 1 and 3, j between 1 and 3 and k equal to 1 or 2 are thus obtained, each value P i,j,k being the value resulting from the product of the voltage signal u i with a sinusoidal demodulation signal at the frequency of the magnetic field generated by the generator 30, 32, 34 oriented in the direction g j .
On notera que, au premier ordre, chaque valeur Pi,j, 1, respectivement chaque valeur Pi,j,2, est égale au produit du cosinus, respectivement du sinus, du déphasage entre le champ magnétique généré par le générateur 30, 32, 34 orienté suivant la direction gjet les signaux de démodulation associés avec la contribution de ce champ magnétique alternatif à la composante du champ magnétique résultant mesurée suivant la direction ci. En d’autres termes, chaque valeur Pi,j,1, respectivement chaque valeur Pi,j,2, est égale, au premier ordre, à
Ces dix-huit valeurs sont ensuite utilisées pour calculer la valeur absolue de la contribution de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique résultant. Cette valeur absolue est égale à la racine carrée de la somme des carrés des valeurs résultant du produit d’un signal de tension par les signaux de démodulation d’une même paire. En d’autres termes, on a :These eighteen values are then used to calculate the absolute value of the contribution of each generated alternating magnetic field to each component of the resulting magnetic field. This absolute value is equal to the square root of the sum of the squares of the values resulting from the product of a voltage signal by the demodulation signals of the same pair. In other words, we have:
Les valeurs absolues des contributions des champs magnétique alternatifs générés aux composantes du champ magnétique résultant sont ensuite utilisées pour construire une pluralité de mesures candidates Mcformées chacune d’un ensemble de contributions candidates de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique, c’est-à-dire d’un ensemble de valeurs
Ces mesures candidates Mcpeuvent être présentées sous forme de matrices, dans lesquelles chaque colonne présente les contributions d’un même champ magnétique alternatif et chaque ligne présente les contributions à une même composante du champ magnétique résultant :These candidate measures M c can be presented in the form of matrices, in which each column presents the contributions of the same alternating magnetic field and each row presents the contributions to the same component of the resulting magnetic field:
A cet effet, une première mesure candidate
- la valeur absolue de chaque contribution candidate
- pour chaque champ magnétique alternatif, le signe de chacune des contributions candidates
- le détermination de la matrice correspondante soit positif.
- the absolute value of each candidate contribution
- for each alternating magnetic field, the sign of each of the candidate contributions
- the determination of the corresponding matrix is positive.
Puis, à partir de cette première mesure candidate
Un total de quatre mesures candidates Mcest ainsi obtenu, ces mesures candidates vérifiant la condition suivante :A total of four candidate measures M c is thus obtained, these candidate measures verifying the following condition:
On notera que le nombre de mesures candidates Mcest limité à quatre du fait que la matrice de la mesure réelle a nécessairement un déterminant positif et que les matrices à déterminant négatif ne constituent donc pas des candidates sérieuses.Note that the number of candidate measures M c is limited to four because the matrix of the real measure necessarily has a positive determinant and matrices with negative determinant are therefore not serious candidates.
A l’étape de démodulation 130 succède une étape 140 d’application d’un correctif aux mesures candidates Mc. Ce correctif vise à compenser l’effet induit sur le signal de mesure, et donc sur les mesures candidates, par le défaut d’orthogonalité des générateurs magnétiques 30, 32, 34.The demodulation step 130 is followed by a step 140 of applying a correction to the candidate measurements M c . This correction aims to compensate for the effect induced on the measurement signal, and therefore on the candidate measurements, by the lack of orthogonality of the magnetic generators 30, 32, 34.
Ce correctif est commun à toutes les mesures candidates Mc. Il comprend la multiplication, par la droite, de la matrice de chaque mesure candidate Mcpar une matrice B-1. Cette matrice B-1est l’inverse de la matrice B suivante :This correction is common to all candidate measures M c . It involves multiplying, on the right, the matrix of each candidate measure M c by a matrix B -1 . This matrix B -1 is the inverse of the following matrix B :
où b1, b2et b3sont des facteurs d’échelles, typiquement déterminés lors d’une étape de calibration préalable, b1étant un facteur d’échelle globale permettant de définir l’échelle de longueur des mesures fournies par le système de détermination 20 et b2et b3sont des facteurs d’échelles relatifs, fonctions de b1, qui couvrent notamment :
- les différences entre les fréquences ωjdes champs magnétiques alternatifs qui apparaissent lors du phénomène d’induction se produisant dans les bobines 56, 58, 60 des capteurs magnétiques 50, 52, 54, et
- les différences relatives entre les normes des moments dipolaires des générateurs 30, 32, 34.
- the differences between the frequencies ω j of the alternating magnetic fields which appear during the induction phenomenon occurring in the coils 56, 58, 60 of the magnetic sensors 50, 52, 54, and
- the relative differences between the norms of the dipole moments of the generators 30, 32, 34.
On obtient ainsi, pour chaque mesure candidate Mc, une mesure corrigée partielle Mpcorrespondante, cette mesure corrigée partielle vérifiant la relation suivante :We thus obtain, for each candidate measure M c , a corresponding partial corrected measure M p , this partial corrected measure verifying the following relation:
Le correctif vise également à compenser l’effet induit sur le signal de mesure, et donc sur les mesures candidates, par les autres défauts de l’émetteur 22, du récepteur 24 et de l’environnement. A cet effet, le correctif comprend également l’application d’autres corrections usuelles et bien connues de l’homme du métier à la mesure corrigée partielle Mpde manière à obtenir, pour chaque mesure candidate Mc, une mesure corrigée finale Mkcorrespondante. Il sera fait abstraction de ces autres défauts dans la suite, l’homme du métier sachant les modéliser et les compenser.The correction also aims to compensate for the effect induced on the measurement signal, and therefore on the candidate measurements, by the other defects of the transmitter 22, the receiver 24 and the environment. For this purpose, the correction also comprises the application of other usual corrections well known to those skilled in the art to the partial corrected measurement M p so as to obtain, for each candidate measurement M c , a corresponding final corrected measurement M k . These other defects will be ignored in the following, since those skilled in the art know how to model and compensate for them.
L’étape 140 est suivie d’une étape 150 de calcul, pour chaque mesure candidate Mc, d’une donnée représentative de la vraisemblance que cette mesure candidate Mcdonne les contributions réelles de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique résultant. Cette donnée représentative est calculée au moyen de la mesure corrigée Mkcorrespondant à la mesure candidate Mc.Step 140 is followed by a step 150 of calculating, for each candidate measurement M c , a data item representing the likelihood that this candidate measurement M c gives the real contributions of each generated alternating magnetic field to each component of the resulting magnetic field. This representative data item is calculated using the corrected measurement M k corresponding to the candidate measurement M c .
Dans une première variante de cette étape 150, représentée à la
La distance D de la mesure corrigée Mkaudit espace de référence est par exemple déterminée par la formule suivante :The distance D of the corrected measurement M k to said reference space is for example determined by the following formula:
où S11, S22et S33sont les termes diagonaux d’une matrice diagonale S de valeurs réelles positives ordonnées de sorte que
où P est une première matrice appartenant au groupe SO(3) des matrices de rotation en dimension 3 et QTest la transposée d’une deuxième matrice Q appartenant également au groupe SO(3).where P is a first matrix belonging to the SO(3) group of rotation matrices in dimension 3 and Q T is the transpose of a second matrix Q also belonging to the SO(3) group.
On notera que la distance D peut également être déterminée par de nombreuses autres formules, dépendant ou non des termes diagonaux de la matrice S et donnant possiblement des valeurs différentes de la distance D, seul important que la formule de calcul de la distance D soit la même pour toutes les mesures corrigées Mk. L’homme du métier saura aisément déterminer ces autres formules.It should be noted that the distance D can also be determined by many other formulas, depending or not on the diagonal terms of the matrix S and possibly giving different values of the distance D, the only important thing being that the formula for calculating the distance D is the same for all the corrected measurements M k . The person skilled in the art will easily be able to determine these other formulas.
La donnée représentative de la vraisemblance que la mesure candidate Mcdonne les contributions réelles de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique résultant est fonction de ladite distance D. Par exemple, cette donnée représentative est proportionnelle, en particulier égale, à la distance D ; elle est alors une fonction décroissante de la vraisemblance (en effet, plus la distance D est faible, plus il est vraisemblable que la mesure candidate Mcdonne les contributions réelles de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique résultant). En variante, la donnée représentative est une fonction inverse de la distance D ; elle est alors une fonction croissante de la vraisemblance.The data representative of the likelihood that the candidate measurement M c gives the real contributions of each generated alternating magnetic field to each component of the resulting magnetic field is a function of said distance D. For example, this representative data is proportional, in particular equal, to the distance D; it is then a decreasing function of the likelihood (indeed, the lower the distance D, the more likely it is that the candidate measurement M c gives the real contributions of each generated alternating magnetic field to each component of the resulting magnetic field). Alternatively, the representative data is an inverse function of the distance D; it is then an increasing function of the likelihood.
Dans une autre variante de l’étape 150, représentée à la
A cet effet, l’unité de traitement de données 90 procède, dans un mode de réalisation préféré de l’invention, à la décomposition en valeurs singulières (« Singular Value Decomposition » en anglais) de la matrice de la mesure corrigée Mktelle que la matrice corrigée Mkvérifie la relation suivante :For this purpose, the data processing unit 90 carries out, in a preferred embodiment of the invention, the decomposition into singular values (“Singular Value Decomposition” in English) of the matrix of the corrected measurement M k such that the corrected matrix M k satisfies the following relation:
où P est une première matrice appartenant au groupe SO(3) des matrices de rotation en dimension 3, QTest la transposée d’une deuxième matrice Q appartenant également au groupe SO(3), et S est la matrice suivante :where P is a first matrix belonging to the SO(3) group of rotation matrices in dimension 3, Q T is the transpose of a second matrix Q also belonging to the SO(3) group, and S is the following matrix:
avec S11, S22et S33des valeurs réelles positives ordonnées de sorte que
A partir de cette décomposition en valeurs singulières, l’unité de traitement de données 90 calcule, au moyen de la formule suivante, le vecteur
où Q11, Q21et Q31sont les termes de la première colonne de la matrice Q et r est donné par la formule suivante :where Q 11 , Q 21 and Q 31 are the terms of the first column of the matrix Q and r is given by the following formula:
avec µ0la perméabilité magnétique du vide, m l’amplitude des moments magnétiques des générateurs 30, 32, 34 et Tr(S) la trace de la matrice S (c’est-à-dire la somme des coefficients diagonaux S11, S22et S33).with µ 0 the magnetic permeability of the vacuum, m the amplitude of the magnetic moments of the generators 30, 32, 34 and Tr(S) the trace of the matrix S (i.e. the sum of the diagonal coefficients S 11 , S 22 and S 33 ).
L’unité de traitement de données 90 utilise également la décomposition en valeurs singulières pour calculer, au moyen de la formule suivante, la matrice de rotation R caractérisant l’orientation candidate du récepteur 24 (et donc du premier objet 12 dont il est solidaire) correspondant à la mesure candidate Mc:The data processing unit 90 also uses the singular value decomposition to calculate, by means of the following formula, the rotation matrix R characterizing the candidate orientation of the receiver 24 (and therefore of the first object 12 to which it is attached) corresponding to the candidate measurement M c :
où PTest la transposée de la matrice P.where P T is the transpose of the matrix P.
L’unité de traitement de données 90 obtient ainsi un couple (
Dans cette autre variante de l’étape 150, la sous-étape 154 est suivie d’une sous-étape 155 d’estimation d’une mesure théorique réaliste du champ magnétique résultant dans chaque pose candidate. Cette estimation est basée sur un modèle réaliste du système de détermination 20 tenant compte du défaut d’orthogonalité des générateurs magnétiques 30, 32, 34. Ce modèle réaliste modélise le champ magnétique résultant en tout point de l’espace sous la forme d’un vecteur
où t est le temps, μ0est la perméabilité magnétique du vide, m l’amplitude des moments dipolaires des générateurs 30, 32, 34, r est la distance à l’origine O2du repère secondaire (R2), x est la coordonnée suivant le premier axe secondaire
Il suffit à l’unité de traitement de données 90, pour estimer la mesure théorique réaliste du champ magnétique résultant dans la pose candidate, de calculer les composantes du vecteur
Toujours dans cette autre variante de l’étape 150, la sous-étape 155 est elle-même suivie d’une sous-étape 156 d’évaluation de la distance de chaque mesure candidate Mcà la mesure théorique réaliste associée à ladite mesure candidate Mc, c’est-à-dire à la mesure théorique réaliste du champ magnétique résultant dans la pose candidate correspondant à ladite mesure candidate Mc. Lors de cette sous-étape 156, l’unité de traitement 90 évalue typiquement une distance entre la matrice de la mesure candidate Mcet la matrice de la mesure théorique réaliste associée, cette matrice de la mesure théorique réaliste étant constituée par la matrice :Still in this other variant of step 150, substep 155 is itself followed by a substep 156 of evaluating the distance of each candidate measurement M c to the realistic theoretical measurement associated with said candidate measurement M c , that is to say to the realistic theoretical measurement of the magnetic field resulting in the candidate pose corresponding to said candidate measurement M c . During this substep 156, the processing unit 90 typically evaluates a distance between the matrix of the candidate measurement M c and the matrix of the associated realistic theoretical measurement, this matrix of the realistic theoretical measurement being constituted by the matrix:
telle que le champ magnétique théorique réaliste dans la pose candidate soit donné par le vecteur suivant : such that the realistic theoretical magnetic field in the candidate pose is given by the following vector:
La distance entre les matrices Mcet Mth ,rest par exemple donnée par la norme de Frobenius de la différence entre les matrices.The distance between matrices M c and M th ,r is for example given by the Frobenius norm of the difference between the matrices.
La donnée représentative de la vraisemblance que la mesure candidate Mcdonne les contributions réelles de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique résultant est alors fonction de la distance entre les matrices Mcet Mth ,r. Par exemple, cette donnée représentative est proportionnelle, en particulier égale, à ladite distance ; elle est alors une fonction décroissante de la vraisemblance (en effet, plus la distance entre les matrices Mcet Mth ,rest faible, plus il est vraisemblable que la mesure candidate Mcdonne les contributions réelles de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique résultant). En variante, la donnée représentative est une fonction inverse de ladite distance ; elle est alors une fonction croissante de la vraisemblance.The data representative of the likelihood that the candidate measurement M c gives the real contributions of each generated alternating magnetic field to each component of the resulting magnetic field is then a function of the distance between the matrices M c and M th , r . For example, this representative data is proportional, in particular equal, to said distance; it is then a decreasing function of the likelihood (indeed, the smaller the distance between the matrices M c and M th ,r , the more likely it is that the candidate measurement M c gives the real contributions of each generated alternating magnetic field to each component of the resulting magnetic field). Alternatively, the representative data is an inverse function of said distance; it is then an increasing function of the likelihood.
Une troisième variante de l’étape 150 est présentée à la
Dans cette troisième variante l’étape 150 comprend toujours la sous-étape 154 de déduction, pour chaque mesure candidate Mc, d’une pose candidate du récepteur 24 relativement à l’émetteur 22, cette pose candidate étant déduite de la mesure corrigée Mkcorrespondant à ladite mesure candidate Mc. Cette troisième variante se distingue néanmoins de la variante précédente en ce que l’étape 150 ne comprend pas les sous-étapes 155 et 156.In this third variant, step 150 still includes sub-step 154 of deducing, for each candidate measurement M c , a candidate pose of the receiver 24 relative to the transmitter 22, this candidate pose being deduced from the corrected measurement M k corresponding to said candidate measurement M c . This third variant is nevertheless distinguished from the previous variant in that step 150 does not include sub-steps 155 and 156.
A la place, la sous-étape 154 est suivie d’une sous-étape 157 d’estimation d’une mesure théorique simplifiée du champ magnétique résultant dans chaque pose candidate. Cette estimation est basée sur un modèle simplifié du système de détermination 20 qui considère les générateurs magnétiques 30, 32, 34 orthogonaux les uns et aux autres. Ce modèle simplifié modélise le champ magnétique résultant en tout point de l’espace sous la forme d’un vecteur
où t est le temps, μ0est la perméabilité magnétique du vide, m l’amplitude des moments dipolaires des générateurs 30, 32, 34, r est la distance à l’origine O2du repère secondaire (R2), x est la coordonnée suivant le premier axe secondaire
Il suffit à l’unité de traitement de données 90, pour estimer la mesure théorique simplifiée du champ magnétique résultant dans la pose candidate, de calculer les composantes du vecteur
Toujours dans cette troisième variante de l’étape 150, la sous-étape 157 est elle-même suivie d’une sous-étape 158 d’évaluation de la distance de chaque mesure corrigée Mkcorrespondant à une mesure candidate Mcà la mesure théorique simplifiée associée à ladite mesure candidate Mc, c’est-à-dire à la mesure théorique simplifiée du champ magnétique résultant dans la pose candidate correspondant à ladite mesure candidate Mc. Lors de cette sous-étape 158, l’unité de traitement 90 évalue typiquement une distance entre la matrice de la mesure corrigée Mket la matrice de la mesure théorique simplifiée associée, cette matrice de la mesure théorique simplifiée étant constituée par la matrice :Still in this third variant of step 150, substep 157 is itself followed by a substep 158 of evaluating the distance of each corrected measurement M k corresponding to a candidate measurement M c to the simplified theoretical measurement associated with said candidate measurement M c , that is to say to the simplified theoretical measurement of the resulting magnetic field in the candidate pose corresponding to said candidate measurement M c . During this substep 158, the processing unit 90 typically evaluates a distance between the matrix of the corrected measurement M k and the matrix of the associated simplified theoretical measurement, this matrix of the simplified theoretical measurement being constituted by the matrix:
telle que le champ magnétique théorique simplifié dans la pose candidate soit donné par le vecteur suivant : such that the simplified theoretical magnetic field in the candidate pose is given by the following vector:
La distance entre les matrices Mket Mth, sest par exemple donnée par la norme de Frobenius de la différence entre les matrices.The distance between matrices M k and M th, s is for example given by the Frobenius norm of the difference between the matrices.
La donnée représentative de la vraisemblance que la mesure candidate Mcdonne les contributions réelles de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique résultant est alors fonction de la distance entre les matrices Mket Mth, s. Par exemple, cette donnée représentative est proportionnelle, en particulier égale, à ladite distance ; elle est alors une fonction décroissante de la vraisemblance (en effet, plus la distance entre les matrices Mket Mth, sest faible, plus il est vraisemblable que la mesure candidate Mcdonne les contributions réelles de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique résultant). En variante, la donnée représentative est une fonction inverse de ladite distance ; elle est alors une fonction croissante de la vraisemblance.The data representative of the likelihood that the candidate measurement M c gives the real contributions of each generated alternating magnetic field to each component of the resulting magnetic field is then a function of the distance between the matrices M k and M th , s . For example, this representative data is proportional, in particular equal, to said distance; it is then a decreasing function of the likelihood (indeed, the smaller the distance between the matrices M k and M th, s , the more likely it is that the candidate measurement M c gives the real contributions of each generated alternating magnetic field to each component of the resulting magnetic field). Alternatively, the representative data is an inverse function of said distance; it is then an increasing function of the likelihood.
De retour à la
En référence à la
Si une unique mesure candidate Mca sa donnée représentative inférieure, respectivement supérieure, au seuil, la sous-étape 161 est suivie d’une sous-étape 162 de sélection de ladite mesure candidate Mcdont la donnée représentative est inférieure, respectivement supérieure, au seuil. La mesure sélectionnée est alors constituée par celle des mesures candidates Mcdont la donnée représentative est la plus faible, respectivement la plus élevée, et indique donc la vraisemblance la plus élevée.If a single candidate measure M c has its representative data lower, respectively higher, than the threshold, substep 161 is followed by a substep 162 of selecting said candidate measure M c whose representative data is lower, respectively higher, than the threshold. The selected measure is then constituted by that of the candidate measures M c whose representative data is the lowest, respectively the highest, and therefore indicates the highest likelihood.
S’il n’y a pas d’unique mesure candidate Mcayant sa donnée représentative inférieure, respectivement supérieure, au seuil, par exemple parce que plusieurs mesures candidates Mcont leur donnée représentative inférieure, respectivement supérieure, au seuil, ou parce qu’aucune mesure candidate Mcn’a sa donnée représentative inférieure, respectivement supérieure, au seuil, la sélection ne peut alors plus être basée sur les données représentatives des mesures candidates. En effet, cela traduit alors le fait que ces données représentatives ne sont pas fiables. Dans un procédé de suivi de la pose (respectivement du déphasage), l’échantillon traité ne peut alors pas être utilisé pour initialiser ou réinitialiser le suivi. La pose est alors déterminée en appliquant la méthode de suivi, qui tire parti de l’historique des poses (respectivement des phases) estimées antérieurement.If there is no single candidate measurement M c having its representative data lower, respectively higher, than the threshold, for example because several candidate measurements M c have their representative data lower, respectively higher, than the threshold, or because no candidate measurement M c has its representative data lower, respectively higher, than the threshold, the selection can then no longer be based on the representative data of the candidate measurements. Indeed, this then reflects the fact that these representative data are not reliable. In a pose (respectively phase shift) tracking method, the processed sample cannot then be used to initialize or reinitialize the tracking. The pose is then determined by applying the tracking method, which takes advantage of the history of previously estimated poses (respectively phases).
Dans une première variante de l’étape 160, représentée à la
Cette pose candidate est déduite de la mesure corrigée Mkcorrespondant à ladite mesure candidate Mcpar un procédé similaire à celui décrit ci-dessus en lien avec l’étape 154. L’unité de traitement de données 90 obtient ainsi un couple (
La sous-étape 163 est alors suivie d’une sous-étape 164 de calcul de la distance de chaque pose candidate à une pose antérieure. Cette pose antérieure est typiquement constituée par une pose déterminée antérieurement par exemple par la mise en œuvre du procédé 100 lors d’une précédente itération de ce dernier ou par la mise en œuvre d’une méthode de suivi telle que celle décrite dans le document H. Wu, Y. Zhao and C. Zhang, "Efficient Hemisphere Unambiguous Magnetic Positioning for Helmet Mounted Sights",2018 IEEE/AIAA 37th Digital Avionics Systems Conference (DASC), London, UK, 2018, pp. 1-6. Cette pose antérieure est de préférence constituée par la dernière pose connue du récepteur 24 relativement à l’émetteur 22.The substep 163 is then followed by a substep 164 of calculating the distance of each candidate pose to a previous pose. This previous pose is typically constituted by a pose determined previously for example by the implementation of the method 100 during a previous iteration of the latter or by the implementation of a tracking method such as that described in the document H. Wu, Y. Zhao and C. Zhang, "Efficient Hemisphere Unambiguous Magnetic Positioning for Helmet Mounted Sights", 2018 IEEE/AIAA 37th Digital Avionics Systems Conference (DASC) , London, UK, 2018, pp. 1-6. This previous pose is preferably constituted by the last known pose of the receiver 24 relative to the transmitter 22.
La distance d entre la pose candidate et la pose antérieure est par exemple donnée par la formule suivante :The distance d between the candidate pose and the previous pose is for example given by the following formula:
où
A la sous-étape 164 succède une sous-étape 165 de sélection de la mesure candidate Mcpour laquelle la pose candidate correspondante présente la plus faible distance à la pose antérieure. La mesure sélectionnée est alors constituée par celle des mesures candidates Mcpour laquelle la pose candidate correspondante présente la plus faible distance à la pose antérieure.Substep 164 is followed by a substep 165 of selecting the candidate measurement M c for which the corresponding candidate pose has the smallest distance to the previous pose. The selected measurement is then constituted by that of the candidate measurements M c for which the corresponding candidate pose has the smallest distance to the previous pose.
Dans une autre variante de l’étape 160, représentée à la
Lors de cette sous-étape 166, l’unité de traitement de données 90 calcule, pour chaque champ magnétique alternatif généré par l’un des générateurs 30, 32, 34, le rapport
L’unité de traitement de données 90 fixe le premier déphasage candidat du champ magnétique alternatif par rapport aux signaux de démodulation associés comme étant égal à α, le deuxième déphasage candidat étant égal à α+π.The data processing unit 90 sets the first candidate phase shift of the alternating magnetic field relative to the associated demodulation signals as being equal to α, the second candidate phase shift being equal to α+π.
La sous-étape 166 est suivie d’une sous-étape 167 de sélection, pour chaque champ magnétique alternatif, de celui des déphasages candidats qui minimise un écart avec un déphasage antérieur connu dudit champ magnétique alternatif.Substep 166 is followed by a substep 167 of selecting, for each alternating magnetic field, that of the candidate phase shifts which minimizes a deviation from a known previous phase shift of said alternating magnetic field.
Lors de cette sous-étape 167, l’unité de traitement de données 90 compare chacun des déphasages candidats du champ magnétique alternatif par rapport aux signaux de démodulation associés avec un déphasage antérieur connu dudit champ magnétique alternatif par rapport à ces mêmes signaux de démodulation. Ce déphasage antérieurIn this sub-step 167, the data processing unit 90 compares each of the candidate phase shifts of the alternating magnetic field with respect to the associated demodulation signals with a known prior phase shift of said alternating magnetic field with respect to these same demodulation signals. This prior phase shift
a typiquement été déterminé antérieurement lors d’une précédente mesure du champ magnétique résultant par le récepteur 24, par exemple à l’occasion d’une précédente étape de détermination d’une pose antérieure du récepteur 24 relativement à l’émetteur. L’intervalle de temps τ entre cette précédente mesure du champ magnétique résultant par le récepteur 24 et la mise en œuvre de l’étape 120 doit vérifier la condition suivante :has typically been determined previously during a previous measurement of the resulting magnetic field by the receiver 24, for example during a previous step of determining a previous pose of the receiver 24 relative to the transmitter. The time interval τ between this previous measurement of the resulting magnetic field by the receiver 24 and the implementation of step 120 must verify the following condition:
avec
En particulier, lors de cette sous-étape 167, l’unité de traitement de données 90 détermine la différence entre chacun des déphasages candidats du champ magnétique alternatif et le déphasage antérieur de ce champ magnétique alternatif. Elle sélectionne ensuite celui des déphasages candidats présentant la plus faible différence (en valeur absolue) avec le déphasage antérieur.In particular, during this sub-step 167, the data processing unit 90 determines the difference between each of the candidate phase shifts of the alternating magnetic field and the previous phase shift of this alternating magnetic field. It then selects the one of the candidate phase shifts having the smallest difference (in absolute value) with the previous phase shift.
La sous-étape 167 est elle-même suivie d’une sous-étape 168 de sélection de celle des mesures candidates Mcpour laquelle, pour chaque champ magnétique alternatif, les signes des contributions candidates
Lors de cette sous-étape 167, l’unité de traitement de données 90 détermine, pour chaque champ magnétique alternatif, le signe du cosinus ou du sinus du déphasage sélectionné. Elle multiplie ensuite ce signe avec celui d’au moins une valeur Pi,j,1(si signe du cosinus) ou avec celui d’au moins une valeur Pi,j, 2(si signe du sinus) résultant du produit de l’un des signaux de tension avec l’un des signaux de démodulation associés audit champ magnétique alternatif. Elle compare enfin le signe ainsi obtenu avec le signe de la contribution candidate
Par ailleurs, dans cette autre variante de l’étape 160, la sous-étape 162 est suivie d’une sous-étape 169 de réinitialisation du déphasage de chaque champ magnétique alternatif par rapport aux signaux de démodulation associés à ce champ magnétique alternatif.Furthermore, in this other variant of step 160, sub-step 162 is followed by a sub-step 169 of resetting the phase shift of each alternating magnetic field relative to the demodulation signals associated with this alternating magnetic field.
Lors de cette sous-étape 169, l’unité de traitement de données 90 calcule, pour chaque champ magnétique alternatif généré par l’un des générateurs 30, 32, 34, le rapport
L’unité de traitement de données 90 détermine ensuite le signe du cosinus ou du sinus de cet angle α. Puis elle multiplie ce signe avec celui d’au moins une valeur Pi,j,1(si signe du cosinus) ou avec celui d’au moins une valeur Pi,j, 2(si signe du sinus) résultant du produit de l’un des signaux de tension avec l’un des signaux de démodulation associés audit champ magnétique alternatif. Elle compare enfin le signe ainsi obtenu avec le signe de la contribution candidate
De retour à la
A cet effet, l’unité de traitement de données 90 procède, dans un mode de réalisation préféré de l’invention, à la décomposition en valeurs singulières (« Singular Value Decomposition » en anglais) de la matrice de la mesure corrigée Mktelle que la matrice corrigée Mkvérifie la relation suivante :For this purpose, the data processing unit 90 carries out, in a preferred embodiment of the invention, the decomposition into singular values (“Singular Value Decomposition” in English) of the matrix of the corrected measurement M k such that the corrected matrix M k satisfies the following relation:
où P est une première matrice appartenant au groupe SO(3) des matrices de rotation en dimension 3, QTest la transposée d’une deuxième matrice Q appartenant également au groupe SO(3), et S est la matrice suivante :where P is a first matrix belonging to the SO(3) group of rotation matrices in dimension 3, Q T is the transpose of a second matrix Q also belonging to the SO(3) group, and S is the following matrix:
avec S11, S22et S33des valeurs réelles positives ordonnées de sorte que
A partir de cette décomposition en valeurs singulières, l’unité de traitement de données 90 calcule, au moyen de la formule suivante, le vecteur
où Q11, Q21et Q31sont les termes de la première colonne de la matrice Q et r est donné par la formule suivante :where Q 11 , Q 21 and Q 31 are the terms of the first column of the matrix Q and r is given by the following formula:
avec µ0la perméabilité magnétique du vide, m l’amplitude des moments dipolaires des générateurs 30, 32, 34 et Tr(S) la trace de la matrice S (c’est-à-dire la somme des coefficients diagonaux S11, S22et S33).with µ 0 the magnetic permeability of the vacuum, m the amplitude of the dipole moments of the generators 30, 32, 34 and Tr(S) the trace of the matrix S (i.e. the sum of the diagonal coefficients S 11 , S 22 and S 33 ).
L’unité de traitement de données 90 utilise également la décomposition en valeurs singulières pour calculer, au moyen de la formule suivante, la matrice de rotation R caractérisant l’orientation du récepteur 24 (et donc du premier objet 12 dont il est solidaire) correspondant à la mesure sélectionnée :The data processing unit 90 also uses the singular value decomposition to calculate, by means of the following formula, the rotation matrix R characterizing the orientation of the receiver 24 (and therefore of the first object 12 to which it is attached) corresponding to the selected measurement:
où PTest la transposée de la matrice P.where P T is the transpose of the matrix P.
L’unité de traitement de données 90 obtient ainsi un couple (
Ainsi, grâce à l’invention décrite ci-dessus, il est possible de déterminer la pose du récepteur 24 relativement à l’émetteur 22 de manière intrinsèque, sans connexion physique entre le récepteur 24 et l’émetteur 22, sans synchronisation des signaux entre le récepteur 24 et l’émetteur 22, sans capteurs additionnels et sans étape de calibration. Cette pose peut ainsi être déterminée de manière simple, robuste et peu onéreuse.Thus, thanks to the invention described above, it is possible to determine the pose of the receiver 24 relative to the transmitter 22 intrinsically, without physical connection between the receiver 24 and the transmitter 22, without synchronization of the signals between the receiver 24 and the transmitter 22, without additional sensors and without calibration step. This pose can thus be determined in a simple, robust and inexpensive manner.
Claims (24)
- mesure (120) du champ magnétique résultant par le récepteur (24) de manière à obtenir un signal de mesure représentatif du champ magnétique résultant,
- démodulation (130) du signal de mesure de manière à déterminer une pluralité de mesures candidates formées chacune d’un ensemble de contributions candidates de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique résultant,
- application (140) à chaque mesure candidate d’un correctif visant à compenser l’effet induit sur le signal de mesure par le défaut d’orthogonalité des directions des générateurs magnétiques (30, 32, 34), de manière à obtenir pour chaque mesure candidate une mesure corrigée correspondante,
- calcul (150), pour chaque mesure candidate, au moyen de la mesure corrigée correspondante et sans utiliser de mesures de capteurs inertiels solidaires du récepteur (24), d’une donnée représentative de la vraisemblance que cette mesure candidate donne les contributions réelles de chaque champ magnétique alternatif généré à chaque composante du champ magnétique résultant,
- sélection (160) d’une mesure sélectionnée parmi les mesures candidates, la mesure sélectionnée étant constitué par celle des mesures candidates dont la donnée représentative indique la vraisemblance la plus élevée, et
- déduction (170), à partir de la mesure corrigée correspondant à la mesure sélectionné, de ladite au moins une composante de la pose du récepteur (24) relativement à l’émetteur (22).
- measurement (120) of the resulting magnetic field by the receiver (24) so as to obtain a measurement signal representative of the resulting magnetic field,
- demodulating (130) the measurement signal so as to determine a plurality of candidate measurements each formed from a set of candidate contributions of each generated alternating magnetic field to each component of the resulting magnetic field,
- application (140) to each candidate measurement of a correction aimed at compensating for the effect induced on the measurement signal by the lack of orthogonality of the directions of the magnetic generators (30, 32, 34), so as to obtain for each candidate measurement a corresponding corrected measurement,
- calculation (150), for each candidate measurement, by means of the corresponding corrected measurement and without using measurements from inertial sensors integral with the receiver (24), of data representing the likelihood that this candidate measurement gives the real contributions of each generated alternating magnetic field to each component of the resulting magnetic field,
- selection (160) of a selected measure from among the candidate measures, the selected measure being constituted by that of the candidate measures whose representative data indicates the highest likelihood, and
- deduction (170), from the corrected measurement corresponding to the selected measurement, of said at least one component of the pose of the receiver (24) relative to the transmitter (22).
- pour chaque mesure candidate, estimation (152) d’une distance de la mesure corrigée correspondante à un espace de référence constitué des mesures pouvant être obtenues dans un modèle du système (20) formé de l’émetteur (22) et du récepteur (24) dans lequel les générateurs magnétiques (30, 32, 34) sont orthogonaux les uns aux autres, la donnée représentative de la vraisemblance étant fonction de ladite distance.
- for each candidate measurement, estimation (152) of a distance from the corrected measurement corresponding to a reference space consisting of the measurements obtainable in a model of the system (20) formed by the transmitter (22) and the receiver (24) in which the magnetic generators (30, 32, 34) are orthogonal to each other, the data representing the likelihood being a function of said distance.
où S11, S22et S33sont les termes diagonaux d’une matrice diagonale S de valeurs réelles positives ordonnées de sorte que
où Mkest la matrice de la mesure corrigée, P est une première matrice appartenant au groupe SO(3) des matrices de rotation en dimension 3 et QTest la transposée d’une deuxième matrice Q appartenant également au groupe SO(3).The determination method (100) of claim 6, wherein the distance is determined by the following formula:
where S 11 , S 22 and S 33 are the diagonal terms of a diagonal matrix S of positive real values ordered so that
where M k is the matrix of the corrected measure, P is a first matrix belonging to the SO(3) group of rotation matrices in dimension 3 and Q T is the transpose of a second matrix Q also belonging to the SO(3) group.
- déduction (154), à partir de la mesure corrigée correspondante, d’une pose candidate du récepteur (24) relativement à l’émetteur (22),
- estimation (155, 157) d’une mesure théorique du champ magnétique résultant dans la pose candidate dans un modèle du système (20) formé de l’émetteur (22) et du récepteur (24), et
- évaluation (156, 158) d’une distance de la mesure candidate ou de la mesure corrigée correspondante à ladite mesure théorique, la donnée représentative de la vraisemblance étant fonction de ladite distance.
- deduction (154), from the corresponding corrected measurement, of a candidate pose of the receiver (24) relative to the transmitter (22),
- estimating (155, 157) a theoretical measurement of the resulting magnetic field in the candidate pose in a model of the system (20) formed by the transmitter (22) and the receiver (24), and
- evaluation (156, 158) of a distance from the candidate measurement or from the corrected measurement corresponding to said theoretical measurement, the data representing the likelihood being a function of said distance.
avec :
- P une première matrice appartenant au groupe SO(3) et Q une deuxième matrice Q appartenant également au groupe SO(3) telles que
- Q11, Q21et Q31sont les termes de la première colonne de la matrice Q, et
- r est donné par la formule suivante :
with :
- P a first matrix belonging to the group SO(3) and Q a second matrix Q also belonging to the group SO(3) such that
- Q 11 , Q 21 and Q 31 are the terms of the first column of the matrix Q, and
- r is given by the following formula:
- déduction (163), pour chaque mesure candidate, à partir de la mesure corrigée correspondante, d’une pose candidate du récepteur (24) relativement à l’émetteur (22), et
- calcul (164) d’une distance de la pose candidate à une pose antérieure,
- deduction (163), for each candidate measurement, from the corresponding corrected measurement, of a candidate pose of the receiver (24) relative to the transmitter (22), and
- calculation (164) of a distance from the candidate pose to a previous pose,
- détermination (166), pour chaque champ magnétique alternatif généré, de déphasages candidats dudit champ magnétique alternatif généré par rapport à un signal de démodulation utilisé pour démoduler le signal de mesure, et
- sélection, pour chaque champ magnétique alternatif, de celui des déphasages candidats qui minimise un écart avec un déphasage antérieur dudit champ magnétique alternatif généré par rapport à ce même signal de démodulation,
- determining (166), for each generated alternating magnetic field, candidate phase shifts of said generated alternating magnetic field relative to a demodulation signal used to demodulate the measurement signal, and
- selection, for each alternating magnetic field, of that of the candidate phase shifts which minimizes a deviation from a previous phase shift of said alternating magnetic field generated with respect to this same demodulation signal,
- un premier générateur (30) soit orienté suivant une première direction de générateur (g1) confondue avec une première direction (
- un deuxième générateur (32) soit orienté suivant une deuxième direction de générateur (g2) formant un premier angle (θ) avec une deuxième direction (
- a first generator (30) is oriented according to a first generator direction (g 1 ) coincident with a first direction (
- a second generator (32) is oriented along a second generator direction (g 2 ) forming a first angle (θ) with a second direction (
- agencement d’un premier générateur magnétique (30) de l’émetteur (22), apte à générer un champ magnétique alternatif à une première fréquence, de sorte qu’il soit orienté suivant une première direction de générateur (g1) confondue avec une première direction (
- agencement d’un deuxième générateur magnétique (32) de l’émetteur (22), apte à générer un champ magnétique alternatif à une deuxième fréquence différence de la première fréquence, de sorte qu’il soit orienté suivant une deuxième direction de générateur (g2) formant un premier angle (θ) avec une deuxième direction (
- arrangement of a first magnetic generator (30) of the transmitter (22), capable of generating an alternating magnetic field at a first frequency, such that it is oriented in a first generator direction (g 1 ) coincident with a first direction (
- arrangement of a second magnetic generator (32) of the transmitter (22), capable of generating an alternating magnetic field at a second frequency different from the first frequency, such that it is oriented in a second generator direction (g 2 ) forming a first angle (θ) with a second direction (
- un émetteur (22) solidaire du deuxième objet (14), ledit émetteur (22) comprenant au moins deux générateurs magnétiques (30, 32, 34) chacun orienté suivant une direction propre (g1, g2, g3) et apte à générer un champ magnétique alternatif à une fréquence propre, les générateurs magnétiques (30, 32, 34) étant agencés relativement les uns aux autres de sorte que leurs directions (g1, g2, g3) soient deux à deux non coaxiales et non orthogonales,
- un récepteur (24) solidaire du premier objet (12), ledit récepteur (24) étant apte à mesurer les composantes d’un champ magnétique résultant, formé de la superposition des champs magnétiques alternatifs générés par les générateurs magnétiques (30, 32, 34) de l’émetteur (22), suivant trois directions (c1, c2, c3) non coplanaires, et
- une unité de traitement de données (90) configurée pour la mise en œuvre d’un procédé de détermination (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 16.
- a transmitter (22) secured to the second object (14), said transmitter (22) comprising at least two magnetic generators (30, 32, 34) each oriented in a specific direction (g 1 , g 2 , g 3 ) and capable of generating an alternating magnetic field at a specific frequency, the magnetic generators (30, 32, 34) being arranged relative to each other so that their directions (g 1 , g 2 , g 3 ) are two by two non-coaxial and non-orthogonal,
- a receiver (24) secured to the first object (12), said receiver (24) being capable of measuring the components of a resulting magnetic field, formed from the superposition of the alternating magnetic fields generated by the magnetic generators (30, 32, 34) of the transmitter (22), in three non-coplanar directions (c 1 , c 2 , c 3 ), and
- a data processing unit (90) configured for implementing a determination method (100) according to any one of claims 1 to 16.
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H. WUY. ZHAOC. ZHANG: "Efficient Hémisphère Unambiguous Magnetic Positioning for Helmet Mounted Sights", IEEE/ALAA 37TH DIGITAL AVIONICS SYSTEMS CONFÉRENCE (DASC), LONDON, UK, 2018, pages 1 - 6, XP033469470, DOI: 10.1109/DASC.2018.8569882 |
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WO2025027005A1 (en) | 2025-02-06 |
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