WO2005111536A1 - Procede et dispositif de detection en hyperacuite d'un bord contraste sensiblement rectiligne et systeme de fixation et de poursuite fine de ce bord contraste. - Google Patents

Procede et dispositif de detection en hyperacuite d'un bord contraste sensiblement rectiligne et systeme de fixation et de poursuite fine de ce bord contraste. Download PDF

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lens
periodic
optical sensor
optical
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PCT/FR2005/000643
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Nicolas Franceschini
Stéphane VIOLLET
Marc Boyron
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Centre National De La Recherche Scientifique (C.N.R.S.)
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/028—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring lateral position of a boundary of the object

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for optical detection in hyperacuity of a substantially rectilinear contrast edge and a system for acquiring and tracking a target comprising at least one such contrast edge.
  • a solution making it possible to obtain a very high resolution image sensor consists in associating a sensor with high pixel density with suitable optics. Besides a large footprint this solution has a very high cost.
  • Another solution consists in moving an image sensor by micro-displacement step, submultiples of the spacing between the pixels of the latter, and in reconstructing a final image from the partial images acquired with each micro-displacement.
  • optical detection techniques For the automatic piloting and stabilization of a ship or an aircraft, in addition to the techniques using inertial units, optical detection techniques have been proposed.
  • the above-mentioned optical detection techniques essentially consist in measuring a difference in intensity of the infrared and / or visible radiation between the sky and the ground.
  • Other experimental systems have also been proposed. This type of system uses a CCD sensor and an image processing algorithm to extract the horizon with suitable precision.
  • CCD sensor CCD sensor
  • image processing algorithm to extract the horizon with suitable precision.
  • such a system requires high luminance and requires significant computing power.
  • Millimeter wave radars are capable of detecting a 6 mm diameter steel cable at a distance of approximately 25 m and ultra wide band radars are capable of detecting a same diameter steel cable at a distance of approximately 80 m.
  • techniques using a scanning laser make it possible to detect a cable of comparable diameter up to a distance limited, however, to 6 m.
  • the corresponding scanning laser detectors are bulky, bulky and heavy, weighing 6 to 8 kg.
  • This sensor for (Optical Scanner for the Control of Autonomous Robots) makes it possible to determine the angular position of a contrast having a substantially rectilinear edge, by means of two photodiodes offset spatially, to which a periodic microscanning in rotation is imposed, inspired by observations made on the fly's retina.
  • the measurement of the relative movement of the visual environment, that is to say of the substantially rectilinear edge, is carried out by means of an Elementary Motion Detector circuit, DEM circuit, the principle of implementation and of functioning is inspired by that of the fly motion sensing neurons.
  • the signal delivered by the DEM circuit, from the two photodiodes is a signal whose amplitude depends on the angular position of the contrasted edge relative to the mean direction of the global field of vision of the sensor, formed by the two photodiodes.
  • this same sensor makes it possible in particular to obtain: - an acuity much finer than the angle A ⁇ separating the visual axes, axes of maximum sensitivity of the two photodiodes, defining the overall viewing angle of the sensor, such a sensor reacting to a rotation as low as 2.5% of the angle A ⁇ ; - a visible minimum much finer than the same angle A ⁇ , such a sensor easily detecting a black bar 1 cm wide at a distance of 200 cm, the latter underlying only an angle of 0.28 °, or an angle representing 7.8% of this overall viewing angle A ⁇ .
  • Such a sensor has sufficient visual acuity performance to allow integration of the latter into a visuo-motor control loop, the static gain of the sensor varying, moreover, little depending on the nature of the object. , its contrast or its distance.
  • the subject of the present invention is the implementation of a method and a device for hyperacuity detection of a substantially rectilinear contrasting edge, based on a similar principle but thanks to which both the bulk and the mass, the inertia and the power consumption of the detection device are significantly reduced, vis-à-vis the OSCAR sensor of the prior art, and which allows a particularly significant improvement in reliability, in the sense of the repeatability of the scanning operation , of the hyperacuity detection object of the invention.
  • Another object of the present invention is, also, the implementation of a system for fixing and fine tracking of a target comprising at least one contrasting edge, having a substantially rectilinear light transition zone, making it possible to ensure the control and stabilization of the aiming direction of a hyperacuity detection device in accordance with the object of the invention, a system whose performance is comparable, at least qualitatively, to that of the VOR process, for Vestibulo Ocular Reflex, c is to say "vestibulo ocular reflex" known to stabilize the eye therefore the line of sight of the human gaze, thanks to the combination, on the one hand, of the process of hyperacuity detection, object of the invention, and, on the other hand, of a particularly fast command inspired by the aforementioned VOR process.
  • the present invention finally relates to any application of the method, of the device for detecting a contrasting edge, objects of the invention, as well as of the system for fixing and fine tracking of a target, in particular, - detection and localization of horizon for the stabilization of an aircraft, spacecraft, sea or air; - detection of cables, posts, rails and other thin or filiform obstacles by an aircraft or other vehicle; - assistance in the stabilization and / or navigation of a flying object such as a piloted or remotely piloted helicopter in a narrow environment; - assistance in the maintenance of high voltage power lines, telephone lines or other, by implementing on an aerial or other machine piloted or remotely piloted a visuo-motor loop of great precision and great stability; - stabilization, by optical detection, of an aircraft in free flight or captive with respect to a fixed target placed on the ground; - stabilization of a platform with respect to fixed optical markers (instrument or machine supports, marine platform or other); - stabilization of an image sensor (camera, camera); - high
  • the method and the device for detecting a contrasting edge having a substantially straight light transition zone in a determined direction are remarkable in that the latter consist, respectively, of carrying out, in another direction transverse to this determined direction, a periodic scanning of the position of the overall viewing angle of a first and a second optical sensor, by relative translation of the assembly formed by this first and this second optical sensor in this other direction, the periodic scanning law corresponding to a non-uniform scanning during at least part of each periodic scanning period, the overall viewing angle being defined by the mean direction of observation of this first and this second optical sensor, and to measure, from the signals delivered by the first and the second optical sensor, a time difference between these signals which is linked to the angular position of this light transition zone with respect to the mean direction of this overall viewing angle forming a reference direction, from the scanning law, this direction of reference being linked to a specific value of this time difference.
  • the method and the device for detecting a contrasting edge, objects of the present invention find application in the industrial implementation of systems for fixing and fine tracking of a target having at least one contrasting edge, in which a compensation method of the line of sight similar to the VOR process of the human gaze is likely to be implemented, due both to the high precision and rapidity of this process and of this device as to the character of high miniaturization and extreme lightness of this device, whose very low inertia allows such an implementation in a particularly remarkable way.
  • FIG. 1 shows, by way of illustration, a block diagram of the implementation of the method for detecting a contrasting edge object of the present invention
  • FIGS. 2a to 2h represent, by way of illustration, different substeps for implementing the method represented in FIG.
  • FIG. 3a shows, by way of illustration, a functional diagram of a device for detecting a contrasting edge in accordance with the object of the present invention
  • - Figure 3b gives an example of static input / output characteristics (in volts per degree) of the detector according to the invention, obtained in front of a contrasting edge (Ci) respectively a black bar (C 2 ) of width 1 cm both placed at 130 cm from this detector
  • - Figures 4a, 4b, 4c, 4d and 4e show, by way of illustration, specific examples of implementation of the detection device object of the present invention, as shown in Figure 3a, respectively
  • FIG. 7b represents, by way of illustration, a global functional diagram of the visual fixation and fine tracking system object of the invention, for the parameters or state variables represented in FIG. 7a, when the device for detection object of the invention incorporates the visual fixation and fine tracking system of a target object of the invention, and that the visual fixation and fine tracking process is assisted by a second system corresponding substantially to the VOR stabilization process of the line of observation of the human gaze.
  • the light contrast zone, light transition zone, and, in particular, the contrasted edge are rectilinear in a direction substantially orthogonal to the plane of the sheet containing FIG. 1, the direction determined being for example that of the edge E of a plate P shown here in successive positions 1, 2 and 3.
  • the method which is the subject of the invention consists at least in carrying out in another direction transverse to the determined direction corresponding to the edge E of the plate P, a periodic angular position scan of the global viewing angle A ⁇ of a first and a second optical sensor denoted Di and D 2 .
  • Di and D 2 a periodic angular position scan of the global viewing angle A ⁇ of a first and a second optical sensor denoted Di and D 2 .
  • the periodic scanning of the position of the global viewing angle means an angular scanning of this position in the plane of FIG.
  • this overall viewing angle can be formed by means of a converging lens L, the optical sensors D 1 and D 2 then being placed substantially in the image focal plane of the aforementioned lens L.
  • the periodic scanning of the position of the global viewing angle A ⁇ is carried out by relative translation of the assembly formed by the first and the second optical sensor D 1 and D 2 and of the lens L in this other direction, this other direction being, in FIG. 1, contained in the plane containing this figure.
  • the scanning by translation is noted S and represented by an arrow.
  • the method which is the subject of the invention also consists in detecting the time difference between the signals delivered by the first and the second optical sensor D 1 and D 2 , time difference ⁇ t which is linked to the angular position of the light transition zone, that is to say from the edge E of the plate P, with respect to a reference direction.
  • the reference direction is advantageously the AV direction 1 2 corresponding substantially to the mean time direction of the bisector between the viewing directions of the first and of the second optical sensor D, D 2 .
  • a linear displacement of amplitude ⁇ applied to the assembly formed, for example, by the first and the second optical sensor D1 and D2 according to the scanning in translation S causes the rotation of the global viewing angle A ⁇ and makes it rotate by an angle ⁇ the directions of observation OY1, OY2.
  • the process for measuring the aforementioned time difference ⁇ t image of the angular position of the light contrast zone E with respect to the reference direction MOY 12 , from the scanning law ⁇ will now be described in conjunction with FIGS. 2a at 2 a.m.
  • FIG. 1 2 corresponding substantially to the mean time direction of the bisector between the viewing directions of the first and of the second optical sensor D, D 2 .
  • a ⁇ of the contrasting edge E presenting the zone of light contrast which is substantially rectilinear and parallel to the axis OX, in FIG. 2a, this contrasting edge being located in position 1, 2 or 3 in the above-mentioned figure, has the effect that the angular speed ⁇ (t) of scanning the overall viewing angle and represented by 1 / ⁇ t measured by the pair of optical sensors Di and D 2 is different depending on whether the contrasted edge E of the plate P is located in position 1, 2 or 3.
  • a periodic scanning law has been represented corresponding to a non-uniform scanning over time, the scanning law ⁇ as a function of time being represented in FIG.
  • Figures 2c, 2d and 2e represent the output signals delivered by the optical sensors Di and D 2 , according to the position of the contrasting edge E during the scanning operation for positions 1, 2 and 3 represented in Figure 1, 2a or 2b.
  • the above output signals are then advantageously filtered by means of a high-pass filter of order 1, which makes it possible to carry out a thresholding of the previously mentioned signals and thus to measure the time difference ⁇ t, as shown respectively in FIGS.
  • the directions of the contrasted edge E orthogonal to the plane of FIG. 1 and of FIG. 2a and the transverse direction in which the angular position scan of the global viewing angle, corresponding substantially to the direction OX of FIGS. 1 and 2a, are orthogonal.
  • the process for measuring the delay ⁇ t as shown in connection with FIGS.
  • the scanning in translation either of the assembly formed by the first and the second optical sensor D 1 and D 2 , either unlike the lens L with respect to the latter, when the latter are fixed, makes it possible to carry out a law of scanning the angular position of the global viewing angle A ⁇ , according to an angular position of the latter, corresponding for example to the law of angular scanning of the assembly formed by the first and the second sensor D1 and D 2 and by the lens L, as described in the document A 2 mentioned above.
  • the treatment process, for an angular position scan can then be substantially identical to that described in the aforementioned article, although the scan described in the latter either obtained by global rotation of the lens + optical sensors D ⁇ , D 2 assembly.
  • a device for detecting a contrasted edge having a zone of light contrast that is substantially rectilinear in a determined direction in accordance with the object of the present invention, will now be given in conjunction with FIGS. 3a, 3b and the following figures.
  • the device which is the subject of the invention comprises at least the first and the second optical sensor Di and D 2 of FIG.
  • the first and second optical sensors D 1 and D 2 are placed substantially in the image focal plane of the lens L, the mean directions of observation of the first and second optical sensors D 1 and D 2 corresponding substantially to a line (O 1 OY 1 , O 2 OY 2 ) connecting the center of the first respectively of the second optical sensor and the optical center of the lens L, as shown in particular in FIG. 1.
  • a line O 1 OY 1 , O 2 OY 2
  • the device which is the subject of the invention further comprises resources for relative displacement in translation of the assembly formed by the first and the second optical sensor Di, D 2 with respect to the zone of light contrast, this is ie l the area targeted in another direction transverse to the determined direction of the aforementioned contrasting edge.
  • This displacement is a displacement according to a periodic angular scanning of the above-mentioned global viewing angle A ⁇ according to the non-uniform periodic angular scanning law during at least part of each scanning period, scanning law ⁇ as shown in FIGS. 2a and 2b, repeated periodically.
  • the relative displacement resources in translation are denoted A and
  • the first and the second optical sensor D 1 and D 2 are each formed by a photoelectric sensor, such as a photoelectric diode, the spectral sensitivity of which can be chosen either in the visible range or even in the ultraviolet range, or on the contrary in the infrared range for night detection for example.
  • a photoelectric sensor such as a photoelectric diode
  • the choice of the wavelength of maximum sensitivity of the aforementioned photodiodes can then be made according to the chosen application of the contrast edge detection device object of the present invention.
  • this can advantageously include a separation amplifier 20, also called trans-impedance amplifier, and an Elementary Motion Detection circuit 21, DEM circuit , receiving the signals delivered by the first and the second optical sensor Di and D 2 after amplification by the separating amplifier 20 and allowing, from the time delay ⁇ t and the non-uniform scanning law ⁇ to deliver an output signal V substantially proportional to the reverse, Vi. , of the time difference ⁇ t and therefore substantially proportional to the angular position of the light contrast zone E with respect to the reference direction MOY1 2 .
  • FIG. 3b shows the output signal V delivered by the elementary motion detector circuit 21, the abscissa axis of FIG. 3b being graduated in positive angular values respectively negative of the angular position of the contrasted edge E with respect to to the line of sight MOY 1 2 of the sensor.
  • the ordinate axis in FIG. 3b is graduated in positive relative negative respectively amplitude of the signal V delivered by the circuit 21.
  • the relative displacement resources in translation comprise, when the lens L is fixed, a deformable support element A, one end of which is integral with a fixed reference mechanical support, and the other end of which carries the first and second optical sensors D 1 , D 2 .
  • the aforementioned resources also include an application circuit on the deformable support A, then forming an actuator, of a periodic displacement control constraint making it possible to generate a periodic displacement in translation in the other direction, the scanning direction.
  • S of the assembly formed by the first and the second optical sensor DL D 2 , according to the law of scanning with respect to the fixed reference mechanical support.
  • the fixed reference support is represented by hatching.
  • the actuator A supports all of the optical sensors D 1 and D 2 at one of its ends and the other end of the latter can, for example, be fixed to the fixed mechanical reference.
  • the assembly can advantageously be enclosed in a tubular carbon enclosure, for example, the front end of the tubular enclosure comprising the lens L in FIG. 4a, while a window formed on the surface of revolution of the enclosure tubular accommodates the lens L, which is then placed vis-à-vis the optical sensors D 1 and D 2 , as shown in Figure 4b.
  • a tubular carbon enclosure for example, the front end of the tubular enclosure comprising the lens L in FIG. 4a
  • a window formed on the surface of revolution of the enclosure tubular accommodates the lens L, which is then placed vis-à-vis the optical sensors D 1 and D 2 , as shown in Figure 4b.
  • the actuator A can be formed by two paired piezoelectric blades Ai and A 2 , which are fixed to the fixed support at one of their ends, the opposite end comprising all the optical sensors Di, Di, ... D n , as shown in FIG. 4c, respectively the lens L, as shown in FIG. 4d.
  • the piezoelectric plates can be constituted in a nonlimiting manner by two paired bimorphic or monomorphic piezoelectric plates, or by a piezoelectric plate and a spring leaf, for example, or by equivalent means. Under these conditions, the application of an electrical voltage adapted in accordance with the scanning law makes it possible to apply a periodic displacement control constraint in the scanning direction S as shown in FIGS.
  • one of the two piezoelectric plates can be used as a position sensor for the photodiodes Di, D 2 , FIG. 4c, or of the lens L, Fig. 4d, this sensor can then be included in a position control loop of the photodiodes or of the lens.
  • a circuit for measuring, by strain gauges, the linear position of the first and second optical sensors Di, D 2 or of the lens L, from the deformation of the deformable support can advantageously be provided. As shown in FIG.
  • the resource 1 allowing the application of a displacement control constraint may advantageously comprise a scanning generator 10 delivering a scanning voltage, a shaping circuit 11 receiving the scanning voltage and delivering an intermediate sweep control signal and a high voltage amplifier circuit 12 supplied with direct voltage by a high voltage generator 13, the high voltage amplifier circuit being controlled by the intermediate sweep control signal supplied by the shaping circuit 11 for deliver a periodic displacement control voltage, which is applied, of course, to the actuator A of FIGS. 4a and 4b and, in particular, to the piezoelectric blades Ai and / or A 2 of FIGS. 4c and 4d.
  • this displacement constraint can be reduced to a simple calibration of the angular displacement described by article A 2 published in 1999.
  • the displacement in translation ⁇ can be assimilated to the rotation ⁇ of the overall viewing angle A ⁇ or of the half-angle of the latter given substantially by the ratio of the half-distance of the centers O 1 and 0 2 separating the optical sensors D 1 and D 2 and the focal length f of the lens L.
  • a plurality of devices as described above in conjunction with the aforementioned figures, can be provided in order to increase the overall field of vision of the detection device until making it panoramic. if necessary.
  • Each device forming an elementary device comprises a fixed lens, denoted Li to L 3 , by way of nonlimiting example.
  • These elementary devices are arranged substantially on a spherical surface comprising a common center, this common center constituting for the acquisition system the optical center of a global viewing angle enlarged to the set of global viewing angles A ⁇ of each of the devices. taken together.
  • the number of elementary devices is deliberately limited to 3 so as not to overload the drawing.
  • each pair of first and second sensors On, O12 ; O21, O22 and O3 1 , O32 for lenses Li, L2 and L3 respectively, can then be connected to an elementary motion detection device actually comprising a detection circuit, symbolized by 20-21, for each of the elementary devices considered .
  • the output signal delivered by each V 1 , V2 and V 3 can then be sampled for subsequent digital processing.
  • the direction S in which the periodic scanning by relative translation of the assembly formed by the first and the second optical sensor Dt, D 2 vis-à-vis the contrasted edge E is carried out, can be a priori arbitrary.
  • this direction can advantageously be perpendicular to the determined direction in which the edge extends. contrasted E. It is indicated that such a procedure can be facilitated by orienting the scanning direction S in a plane corresponding substantially to the focal plane of the lens L.
  • 5a and 5b advantageously comprises a device for orienting the assembly formed by the deformable support element A, or the set of first and second optical sensors Di, D 2 and the mechanical fixed reference support.
  • This orientation device then makes it possible to orient the direction of the periodic displacement in translation S of the first and of the second optical sensor Di, D 2 in this other direction transverse to the determined direction of the substantially straight light contrast zone, the contrasted edge E.
  • FIG. 1 In the case of FIG.
  • the support may consist of a platform driven by a micromotor ⁇ M, subjecting the assembly formed by the actuator A, the diodes D 1 and D 2 , and of course the support fixes a rotation along the longitudinal axis of the assembly, represented by the double arrow OS, the effect of which is to modify the orientation of the scanning S. It is thus understood that the scanning direction S is then oriented relative to the direction not shown in the drawings the contrasting edge E.
  • the assembly formed by the optical sensors D 1 and D 2 is placed opposite a fixed lens L, as shown in FIG.
  • the actuator A in particularly when it is formed by the actuators Ai and A 2 , integral with the assembly formed by the diodes D 1 , D 2 , as shown in FIG. 5b, can then be advantageously mounted on a mobile circular crown, denoted CC, mounted on a ball bearing whose axis coincides with that of L with respect to a fixed support SF in the form of a circular guide rail, for example.
  • the assembly of the circular crown CC of the actuator A or Ai, A 2 and all the diodes Di, D 2 in FIG. 5b can then be positioned in orientation by means of a micromotor ⁇ M not shown in drawings and thus delivering a new scanning direction S.
  • the contrasting edge detection device object of the present invention may comprise, as shown in FIG. 6a, a first and a second detection device, as well as described previously in the description in connection with FIG. 4a to 4c, for example, the first and the second optical sensor of the first respectively of the second device detection and the directions of periodic relative movement of the latter being substantially perpendicular.
  • the two optical sensors Di and D 2 can advantageously be replaced by an array of optical detectors such as photodiodes, each constituting a pixel Dj, the array of rectangular diodes thus formed forming a two-dimensional retina.
  • the two directions of periodic relative displacement are then substantially perpendicular and referenced Sv respectively SH in FIG. 6a.
  • the diode array can then be mounted in a frame F forming a rigid frame, suspended by springs SP ensuring sufficient suspension, with respect to frame F, for the diode array thus formed, and the actuators are then actuators Ai and A 2 mounted in a similar manner to that described in connection with FIGS. 4a to 4c, for example, by means of a microbead, to ensure scanning in the vertical direction Sv respectively horizontal SH.
  • Such an arrangement can preferably be carried out, as shown in FIG.
  • the piezoelectric type actuator with wide passband 500 Hz of low mass 1, 4 g makes it possible to generate a translation of amplitude as large as 1 mm, in open loop, with short response times.
  • the use of a lens L with a focal distance 50 times greater than that of 8.5 mm of the detector device object of the invention tested makes it possible to detect a black bar of width 50 mm such as a power line cable to high voltage, at a distance of 500 meters, or a black bar with a diameter of 100 mm, such as a cable car cable, at a distance of 1 kilometer.
  • FIG. 7a there is shown, in top view, an assembly constituting a system for stabilizing the line of sight and fine tracking of a target comprising at least one contrasting edge E, in accordance with the object of the present invention.
  • the aforementioned system comprises a DD detection device, as described above in the description in conjunction with FIGS. 1 to 4, more particularly 4b and a mechanical support ET in which this detection device is capable of being oriented.
  • ET designates a casing symbolically representing the spatial reference of the human skull and the DD device then constitutes a faithful representation of a human eye capable of moving in its orbit.
  • An ⁇ ME electronic micromotor allows, by an articulation system by screw V connecting rod B and crank M without play, to ensure an orientation of the detection device DD in accordance with the object of the present invention with respect to the external casing ET and d '' provide a movement comparable to that of the eyeball in the orbit of the human skull.
  • the angular position of the housing ET in an absolute coordinate system is noted Q h .
  • the line of sight of the detection device DD (axis MOY 12 in FIG. 1) is denoted Q eh P ar ra PP ort in the housing AND and Q with respect to the absolute direction OY,
  • FIG. 7a shows the functional diagram of the system for stabilizing the line of sight and fine tracking object of the invention.
  • the system which is the subject of the invention further comprises a resource H (p) for measuring the speed of rotation ⁇ h of the mechanical support AND.
  • This resource is advantageously constituted by a gyrometer, integral with the housing AND as indicated in FIG. 7a. It further comprises a direct control resource, from an open-loop control signal for the orientation of the reference direction of the detection device DD, this resource delivering a direct control signal UVOR from the measurement. the speed of rotation ⁇ h of the mechanical support ET.
  • it includes a visual servo loop from the reference direction MOY 1 2 to the detected direction Q t of at least one contrasting edge belonging to the target.
  • This visual control loop is formed by the detection device DD, an inverter Inv, a nonlinear circuit ZSL and a corrector Cv (p) and delivers the control signal U v .
  • a fusion resource makes it possible to obtain a linear combination of the direct control signal UVOR. and, the control signal U v .
  • the fusion resource is constituted by a subtractor
  • the direct control signal UVOR being subtracted from the direct control command signal U v .
  • the difference between 0 and Q t is an error signal that the DD detection device measures. It will be understood that, ultimately, the control U e of the electronic micromotor ⁇ ME results at all times from the difference between a signal U v coming from the visual servo loop based on the detection device DD and a UVOR signal coming from d '' a CVOR corrector having as input the angular speed of the housing ET, measured by means of the gyrometer H (p).
  • This filter thus formed is formed of a pseudo-integrator cascaded with an all-pass filter bringing the negative phase without modifying the gain curve of the pseudo-integrator.
  • the system of FIG. 7b makes it possible to combine (merge) a relatively slow visual loop, responsible for fixing and fine tracking of a contrasting edge, with an action allowing the detection device DD to react quickly to rotation disturbances applied on the support AND.
  • this system makes it possible to make remarkably complementary coexistence, and in combination, two subsystems each bringing its contribution: - a first slow but precise subsystem, as it is endowed with hyperacuity: the visual loop formed by the control loop based on the DD detection device; - a second fast but imprecise subsystem (in terms of drift introduced by the gyrometer): the VOR system.
  • the above-mentioned fusion or combination of the DD detection device system, object of the invention, with a gyrometric system constitutes a major development of the latter.
  • the oculomotor system presented in figure 7a is perfectly capable, thanks to the fusion or combination carried out, of following a target moving according to a sinusoidal law
  • the performance of the stabilization system of the line of sight and fine tracking of a target, object of the present invention is remarkable because the The aforementioned system, as described, is able in an application on board a full-scale helicopter to compensate for the fundamental mode of the vibrations at approximately 5 Hz introduced by the main rotor.
  • We have thus described a method and a device for detecting a contrasting edge which is particularly efficient insofar as the method and the device which are the subject of the invention allow the implementation of a system reproducing the behavior of the gaze, therefore of the line. of sight of the eye of man or higher mammals.
  • the method, the device for detecting a contrasting edge which is the subject of the present invention and the corresponding system, using the latter are capable of the most varied applications, as mentioned previously in the introduction to the description.
  • the device for detecting a contrasting edge object of the present invention is capable of direct application using to the navigation of aircraft such as helicopters, for example piloted or remotely piloted, in particular when the latter are brought to evolve in difficult operational context and, in particular, in steep valley, in urban area, or in the presence of filiform objects such as high voltage lines.

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Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif de détection d'un bord contrasté (E) sensiblement rectiligne dans une direction selon lesquels on effectue dans une autre direction transversale à cette direction un balayage périodique ( ) de l'angle de vision global ( ) de capteurs optiques (D1, D2) par translation (S) dans cette autre direction, cette translation entraînant un balayage périodique de vitesse angulaire ( ) non uniforme pendant une partie de la période de balayage et on mesure à partir des signaux délivrés par les capteurs (D1, D2) un écart temporel (?t) qui dépend de la position angulaire du bord contrasté (E) par rapport à une direction de référence (OY12) de l'angle de vision global ( ) à partir de la loi de balayage ( ), cette direction de référence étant liée à une valeur spécifique de l'écart temporel (?t). Application à la stabilisation spatiale d'une ligne de visée et à la fixation et à la poursuite fine d'un objet présentant au moins un bord contrasté.

Description

Procédé et dispositif de détection en hyperacuité d'un bord contrasté sensiblement rectiligne et système de fixation et de poursuite fine de ce bord contrasté.
L'invention concerne un procédé et un dispositif de détection optique en hyperacuité d'un bord contrasté sensiblement rectiligne et un système d'acquisition et de poursuite d'une cible comportant au moins un tel bord contrasté. Dans le domaine technique relatif à l'imagerie, une solution permettant d'obtenir un capteur d'images à très haute résolution consiste à associer un capteur à haute densité de pixels à une optique adéquate. Outre un encombrement important cette solution présente un coût très élevé. Une autre solution consiste à déplacer un capteur d'image par micro- pas de déplacement, sous-multiples de l'espacement entre les pixels de ce dernier, et à reconstituer une image finale à partir des images partielles acquises à chaque micro-déplacement. Une telle solution implique l'utilisation d'une mémoire de stockage de grande capacité, ainsi qu'un algorithme de reconstruction d'image particulièrement performant, et donc coûteux en termes de temps et de ressources de calcul. Dans le domaine technique connexe relatif à la détection d'horizon, pour le pilotage automatique et la stabilisation d'un navire ou d'un aéronef, outre les techniques mettant en œuvre des centrales inertielles, des techniques de détection optique ont été proposées. Les techniques de détection optique précitées consistent, essentiellement, à mesurer une différence d'intensité du rayonnement infrarouge et/ou visible entre le ciel et le sol. D'autres systèmes expérimentaux ont en outre été proposés. Ce type de système met en œuvre un capteur CCD et un algorithme de traitement d'image pour en extraire l'horizon avec une précision convenable. Toutefois, un tel système exige une luminance élevée et requiert une puissance de calcul importante. Dans le domaine de la détection d'obstacles, tels que des câbles en acier, objets de faible dimension à distance relativement grande, une détection par ondes électromagnétiques, ondes radar, est mise en œuvre. Les radars à ondes millimétriques sont capables de détecter un câble en acier de 6 mm de diamètre à une distance de 25 m environ et les radars à bande ultra large sont capables de détecter un câble d'acier de même diamètre à une distance d'environ 80 m. Dans le même domaine, les techniques mettant en œuvre un laser à balayage permettent de détecter un câble de diamètre comparable jusqu'à une distance limitée toutefois à 6 m. Les détecteurs à laser à balayage correspondants sont volumineux, encombrants et lourds, de 6 à 8 kg. Plus récemment, une technique de détection par un œil électronique, soumis à un micro-balayage en rotation par rapport à un bord contrasté sensiblement rectiligne a été décrite par Stéphane VIOLLET et Nicolas FRANCESCHINI, Equipe Microrobotique UMR Mouvement et Perception, CNRS / Université de la Méditerrannée 31 , Chemin Joseph Aiguier 13402 Marseille Cedex 20, lors de la tenue des Cinquièmes journées du pôle microrobotique et Premières journées du RTP microrobotique des 6 et 7 novembre 2002, Rennes, Irisa et ENS Cachan, Antenne de Bretagne, France. L'article publié, issu de ces journées et désigné Ai, décrit la conception et la réalisation d'un type spécifique de capteur visuel dit "neuromimétique", les principes de mise en œuvre de ce dernier étant directement inspirés du monde du vivant. Ce capteur, désigné OSCAR, pour (Optical Scanner for the Control of Autonomous Robots) permet de déterminer la position angulaire d'un contraste présentant un bord sensiblement rectiligne, au moyen de deux photodiodes décalées spatialement, auxquelles on impose un microbalayage périodique en rotation, inspiré d'observations faites sur la rétine de la mouche en vol. La mesure du mouvement relatif de l'environnement visuel, c'est-à-dire du bord sensiblement rectiligne, est effectuée par l'intermédiaire d'un circuit Détecteur Elémentaire de Mouvement, circuit DEM, dont le principe de mise en œuvre et de fonctionnement est inspiré de celui des neurones détecteurs de mouvement de la mouche. Pour un balayage en rotation à vitesse variable, le signal délivré par le circuit DEM, à partir des deux photodiodes, est un signal dont l'amplitude dépend de la position angulaire du bord contrasté par rapport à la direction moyenne du champ de vision global du capteur, formé par les deux photodiodes. Pour une description plus complète de ce capteur OSCAR, on pourra utilement se reporter à l'article Ai publié, issu de ces deux journées. En référence à ce même article, on indique que ce même capteur permet notamment d'obtenir : - une acuité bien plus fine que l'angle Aφ séparant les axes visuels, axes de sensibilité maximale des deux photodiodes, définissant l'angle de vision global du capteur, un tel capteur réagissant à une rotation aussi faible que 2,5% de l'angle Aφ ; - un minimum visible bien plus fin que ce même angle Aφ , un tel capteur détectant sans difficulté une barre noire de largeur 1 cm à une distance de 200 cm, cette dernière ne sous-tendant qu'un angle de 0,28°, soit un angle représentant 7,8% de cet angle de vision global Aφ . Un tel capteur présente des performances d'acuité visuelle suffisante afin de permettre l'intégration de ce dernier dans une boucle d'asservissement visuo-motrice, le gain statique du capteur variant, en outre, peu en fonction de la nature de l'objet, de son contraste ou de sa distance. La présente invention a pour objet la mise en œuvre d'un procédé et d'un dispositif de détection en hyperacuité d'un bord contrasté sensiblement rectiligne, basés sur un principe semblable mais grâce auxquels tant l'encombrement que la masse, l'inertie et la puissance consommée du dispositif de détection sont sensiblement réduits, vis-à-vis du capteur OSCAR de l'art antérieur, et qui permet d'améliorer de façon particulièrement significative la fiabilité, au sens de la répétitivité de l'opération de balayage, du dispositif de détection en hyperacuité objet de l'invention. Un autre objet de la présente invention est, également, la mise en œuvre d'un système de fixation et de poursuite fine d'une cible comportant au moins un bord contrasté, présentant une zone de transition lumineuse sensiblement rectiligne, permettant d'assurer le contrôle et la stabilisation de la direction de visée d'un dispositif de détection en hyperacuité conforme à l'objet de l'invention, système dont les performances sont comparables, au moins qualitativement, à celles du processus VOR, pour Vestibulo Ocular Reflex, c'est- à-dire "Réflexe vestibulo oculaire" connu pour stabiliser l'œil donc la ligne de visée du regard humain, grâce à la combinaison, d'une part, du procédé de détection en hyperacuité, objet de l'invention, et, d'autre part, d'une commande particulièrement rapide inspirée du processus VOR précité. La présente invention a enfin pour objet toute application du procédé, du dispositif de détection d'un bord contrasté, objets de l'invention, ainsi que du système de fixation et de poursuite fine d'une cible, notamment, - détection et localisation d'horizon pour la stabilisation d'un aéronef, d'un engin spatial, marin ou aérien ; - détection de câbles, poteaux, rails et autres obstacles minces ou filiformes par un aéronef ou autre véhicule ; - aide à la stabilisation et/ou à la navigation d'un engin volant tel qu'un hélicoptère piloté ou télépiloté en environnement étroit ; - aide à la maintenance de lignes électriques à haute tension, lignes téléphoniques ou autres, par mise en œuvre sur un engin aérien ou autre piloté ou télépiloté d'une boucle visuo-motrice de grande précision et de grande stabilité ; - stabilisation, par détection optique, d'un aéronef en vol libre ou captif vis-à-vis d'une cible fixe placée au sol ; - stabilisation d'une plateforme par rapport à des repères optiques fixes (supports d'instruments ou de machines, plateforme marine ou autre) ; - stabilisation d'un capteur d'image (caméra, appareil photo) ; - micro-positionnement différentiel de haute précision d'objets présentant un contraste mono ou bidimensionnel tels que des masques optiques, pour la détection de micro défauts ou autres ; - théodolite passif, pour structure à contraste très éloignée ; - détection à grande distance de mouvement de très faible amplitude, notamment d'intrus pénétrant dans une enceinte protégée ; - poursuite optique d'agents (aéronefs, oiseaux...) par une caméra ou un appareil photo ; - aide à la navigation par détection d'obstacles proches de la direction de déplacement, notamment en robotique terrestre, aérienne, spatiale et/ou sous-marine. Le procédé et le dispositif de détection d'un bord contrasté présentant une zone de transition lumineuse sensiblement rectiligne dans une direction déterminée, objets de l'invention, sont remarquables en ce que ces derniers consistent à, respectivement permettent de, effectuer, dans une autre direction transversale à cette direction déterminée, un balayage périodique de position de l'angle de vision global d'un premier et un deuxième capteur optique, par translation relative de l'ensemble formé par ce premier et ce deuxième capteur optique dans cette autre direction, la loi de balayage périodique correspondant à un balayage non uniforme pendant une partie au moins de chaque période de balayage périodique, l'angle de vision global étant délimité par la direction moyenne d'observation de ce premier et de ce deuxième capteur optique, et à mesurer, à partir des signaux délivrés par le premier et le deuxième capteur optique, un écart temporel entre ces signaux qui est lié à la position angulaire de cette zone de transition lumineuse par rapport à la direction moyenne de cet angle de vision global formant une direction de référence, à partir de la loi de balayage, cette direction de référence étant liée à une valeur spécifique de cet écart temporel. Le procédé et le dispositif de détection d'un bord contrasté objets de la présente invention trouvent application à la mise en œuvre industrielle de systèmes de fixation et de poursuite fine d'une cible présentant au moins un bord contrasté, dans lesquels un procédé de compensation de la ligne de visée semblable au processus VOR du regard humain est susceptible d'être mis en œuvre, en raison tant du caractère de haute précision et de grande rapidité de ce procédé et de ce dispositif que du caractère de haute miniaturisation et d'extrême légèreté de ce dispositif, dont l'inertie très faible autorise une telle mise en œuvre de manière particulièrement remarquable. Une description plus détaillée du procédé et du dispositif de détection d'un bord contrasté et d'un système de fixation et de poursuite fine d'une cible comportant au moins un bord contrasté, objets de l'invention, sera maintenant donnée en liaison avec les dessins ci-après dans lesquels : - la figure 1 représente, à titre illustratif, un schéma de principe de mise en œuvre du procédé de détection d'un bord contrasté objet de la présente invention ; - les figures 2a à 2h représentent, à titre illustratif, différentes sous- étapes de mise en œuvre du procédé représenté en figure 1, ces sous-étapes permettant, notamment, d'assurer la détection par rapport à une direction moyenne, de la position angulaire de la zone de transition lumineuse du bord contrasté, à partir de la loi de balayage et de l'écart temporel Δt fonction de la position angulaire relative du premier et du deuxième capteur optique vis-à-vis de la zone de contraste lumineux, ce retard temporel traduisant le désalignement de la direction moyenne d'observation du premier et du deuxième capteur optique par rapport à cette zone de transition lumineuse ; - la figure 3a représente, à titre illustratif, un schéma fonctionnel d'un dispositif de détection d'un bord contrasté conforme à l'objet de la présente invention ; - la figure 3b donne un exemple de caractéristiques statiques entrée/sortie (en volts par degré) du détecteur selon l'invention, obtenues devant un bord contrasté (Ci) respectivement une barre noire (C2) de largeur 1 cm tous deux placés à 130 cm de ce détecteur ; - les figures 4a, 4b, 4c, 4d et 4e représentent, à titre illustratif, des exemples de mise en œuvre spécifiques du dispositif de détection objet de la présente invention, tel que représenté en figure 3a, respectivement une première, une deuxième, une troisième, une quatrième et une cinquième variante de mise en œuvre de ce dernier ; - les figures 5a et 5b représentent, à titre d'exemple non limitatif, une première et une deuxième variante de mise en œuvre non limitative du dispositif de détection objet de l'invention, dans lesquels la direction du balayage en translation appliquée aux capteurs optiques peut être ajustée dans une direction sensiblement perpendiculaire au bord contrasté, en vue d'une application spécifique ; - les figures 6a et 6b représentent, à titre d'exemple non limitatif, deux autres variantes de mise en œuvre du dispositif de détection objet de l'invention plus particulièrement utilisables pour un balayage bidimensionnel et applicables à des cibles bidimensionnelles ; - la figure 7a représente une vue de dessus de la partie du système de fixation visuelle et de poursuite fine objet de l'invention, permettant de définir les paramètres de fonctionnement de ce dernier, dans le cadre du système de fixation visuelle et de poursuite fine représenté sur la figure précitée ; - la figure 7b représente, à titre illustratif, un schéma fonctionnel global du système de fixation visuelle et de poursuite fine objet de l'invention, pour les paramètres ou variables d'état représentés en figure 7a, lorsque le dispositif de détection objet de l'invention incorpore le système de fixation visuelle et de poursuite fine d'une cible objet de l'invention, et que le processus de fixation visuelle et de poursuite fine est assisté par un second système correspondant sensiblement au processus VOR de stabilisation de la ligne d'observation du regard humain. Une description plus détaillée du procédé de détection d'un bord contrasté présentant une zone de contraste lumineux sensiblement rectiligne dans une direction déterminée, conforme à l'objet de la présente invention, sera maintenant donnée en liaison avec la figure 1 et les figures suivantes. En référence à la figure 1 précitée, on indique que la zone de contraste lumineux, zone de transition lumineuse, et, en particulier, le bord contrasté sont rectilignes dans une direction sensiblement orthogonale au plan de la feuille contenant la figure 1 , la direction déterminée étant par exemple celle du bord E d'une plaque P représentée ici aux positions successives 1 , 2 et 3. Le procédé objet de l'invention consiste au moins à effectuer dans une autre direction transversale à la direction déterminée correspondant au bord E de la plaque P, un balayage périodique de position angulaire de l'angle de vision global Aφ d'un premier et d'un deuxième capteur optique notés Di et D2. En référence à la figure 1 , on comprend que le balayage périodique de position de l'angle de vision global s'entend un balayage angulaire de cette position dans le plan de la figure 1, l'angle de vision global étant donné par deux directions O1Y1 de l'axe de visée du premier capteur optique Di et O2Y2 de l'axe de visée du deuxième capteur optique D2. Dans un mode de mise en œuvre non limitatif, on indique que cet angle de vision global peut être formé par l'intermédiaire d'une lentille convergente L, les capteurs optiques D1 et D2 étant alors placés sensiblement dans le plan focal image de la lentille L précitée. Selon un aspect particulièrement remarquable du procédé objet de l'invention, le balayage périodique de position de l'angle de vision global Aφ est effectué par translation relative de l'ensemble formé par le premier et le deuxième capteur optique D1 et D2 et de la lentille L dans cette autre direction, cette autre direction étant, sur la figure 1 , contenue dans le plan contenant cette figure. Le balayage par translation est noté S et représenté par une flèche. La loi de balayage périodique correspond à un balayage non uniforme pendant une partie au moins de chaque période de balayage périodique, l'angle de vision global noté Aφ = (O1YLO2Y2) étant alors délimité par la direction moyenne d'observation du premier et du deuxième capteur optique D1, D2. Le procédé objet de l'invention consiste également à détecter l'écart temporel entre les signaux délivrés par le premier et le deuxième capteur optique D1 et D2, écart temporel Δt qui est lié à la position angulaire de la zone de transition lumineuse, c'est-à-dire du bord E de la plaque P, par rapport à une direction de référence. La direction de référence est avantageusement la direction MOY12 correspondant sensiblement à la direction temporelle moyenne de la bissectrice entre les directions de visée du premier et du deuxième capteur optique D , D2. Ainsi, un déplacement linéaire d'amplitude ε appliquée à l'ensemble formé, par exemple, par le premier et le deuxième capteur optique D1 et D2 selon le balayage en translation S provoque la rotation de l'angle de vision global Aφ et fait tourner d'un angle Δξ les directions d'observation OY1, OY2. Le processus de mesure de l'écart temporel Δt précité image de la position angulaire de la zone de contraste lumineux E par rapport à la direction de référence MOY12, à partir de la loi de balayage Ω sera maintenant décrit en liaison avec les figures 2a à 2h. Sur la figure 2a, on a représenté le processus de balayage périodique de position angulaire de l'angle de vision global Aφ . En particulier, on notera que l'angle de vision global précité est délimité par les directions OY1 et OY2 correspondant au maximum de sensibilité de chacun des capteurs optiques D-i et D2, les courbes de sensibilité de ces derniers dans le plan OX,OY, plan de la figure 1 , correspondant de manière classique à des courbes en cloche. Dans la figure 2a précitée, la plaque P occupe les positions 1 , 2 ou 3 de la figure 1 , positions choisies arbitrairement pour les besoins de l'explication du processus expliqué ci-après. Le balayage à vitesse angulaire Ω variable par l'angle de vision global
Aφ du bord contrasté E présentant la zone de contraste lumineux sensiblement rectiligne et parallèle à l'axe OX, sur la figure 2a, ce bord contrasté étant situé en position 1 , 2 ou 3 sur la figure précitée, a pour effet que la vitesse angulaire Ω (t) de balayage de l'angle de vision global et représentée par 1/Δt mesurée par le couple de capteurs optiques Di et D2 est différente selon que le bord contrasté E de la plaque P est situé en position 1 , 2 ou 3. Sur la figure 2b, on a représenté une loi de balayage périodique correspondant à un balayage non uniforme dans le temps, la loi de balayage Ω en fonction du temps étant représentée en figure 2b, ainsi que l'angle ψ , en fonction du temps, d'une direction OYi délimitant l'angle de vision global, l'axe des abscisses de la figure 2b étant gradué en secondes et l'axe des ordonnées pour la loi de balayage Ω étant gradué en degrés.s"1 respectivement en degrés pour l'angle ψ . Les figures 2c, 2d et 2e représentent les signaux de sortie délivrés par les capteurs optiques Di et D2, selon la position du bord contrasté E au cours de l'opération de balayage pour les positions 1 , 2 et 3 représentées en figure 1 , 2a ou 2b. Les signaux de sortie précités sont alors avantageusement filtrés par l'intermédiaire d'un filtre passe-haut d'ordre 1, lequel permet d'effectuer un seuillage des signaux précédemment cités et ainsi de mesurer l'écart temporel Δt , ainsi que représenté respectivement aux figures 2f, 2g et 2h pour les positions 1 , 2, respectivement 3 correspondant aux figures 2c, 2d, 2e. Le résultat essentiel est que l'écart temporel Δt entre les signaux filtrés délivrés par les capteurs D1 et D2 varie selon la position 1 , 2, 3 du bord contrasté E : le processus permet de coder une position angulaire par un écart temporel. L'axe des abscisses des figures 2c à 2h est gradué en temps, c'est-à- dire en secondes, et l'axe des ordonnées est gradué en amplitude relative de 0 à 1 du signal délivré par les détecteurs optiques D1 respectivement D2 ou par le processus de filtrage pour les figures 2f à 2h. On comprend bien sûr que, pour la mise en œuvre du procédé objet de l'invention, il est possible d'exécuter le balayage en translation S de l'ensemble formé par le premier D1 et le deuxième D2 capteur optique vis-à-vis de la lentille L et que, réciproquement, cette étape de balayage périodique de position peut correspondre avantageusement à effectuer une translation de la lentille de même amplitude mais de sens opposé devant le premier et le deuxième capteur optique D-i et D maintenus fixes. Dans ces conditions, on comprend que les lois de retard Δt entre les signaux délivrés par le premier et le deuxième capteur optique Di et D2, tel que représenté en figure 2c à 2e, pour la loi de balayage Ω , représentée en figure 2a ou 2b, s'entendent d'un balayage périodique effectué autour de la direction de référence MOY12, ainsi que représenté en figure 1. De préférence, de manière non limitative, la direction du bord contrasté E orthogonale au plan de la figure 1 et de la figure 2a et la direction transversale dans laquelle le balayage de position angulaire de l'angle de vision global, correspondant sensiblement à la direction OX des figures 1 et 2a, sont orthogonales. En ce qui concerne la mise en œuvre du processus de mesure du retard Δt , ainsi que représenté en liaison avec les figures 2a à 2h, on indique que ce processus de mesure peut être mis en œuvre, de manière non limitative, conformément à un dispositif de détection de l'art antérieur, tel que décrit dans l'article, désigné A2, intitulé "Visual Servo System based on a biologically-inspired Scanning Sensor" publié par Stéphane VIOLLET et Nicolas FRANCESCHINI, CNRS Laboratoire de Neurobiologie, LNB 3, 31 chemin Joseph Aiguier 13402 MARSEILLE CEDEX France, édité par SPIE Conférence on Sensor Fusion and Decentralised Control in Robotic Systems II, Boston, Massachussetts, September 1999 : SPIE Vol. 3839. 0277-78 6X/99. En effet, on comprend que, conformément à un processus particulièrement avantageux de mise en œuvre du procédé objet de la présente invention, le balayage en translation, soit de l'ensemble formé par le premier et le deuxième capteur optique D1 et D2, soit au contraire de la lentille L vis-à-vis de ces derniers, lorsque ces derniers sont fixes, permet d'effectuer une loi de balayage de position angulaire de l'angle de vision global Aφ, selon une position angulaire de ce dernier, correspondant par exemple à la loi de balayage angulaire de l'ensemble formé par le premier et le deuxième capteur D1 et D2 et par la lentille L, ainsi que décrit dans le document A2 précité. Par contre, et selon un aspect remarquable du procédé objet de la présente invention, le processus de traitement, pour un balayage de position angulaire, peut alors être sensiblement identique à celui décrit dans l'article précité, bien que le balayage décrit dans ce dernier soit obtenu par rotation globale de l'ensemble lentille + capteurs optiques Dι, D2. Une description plus détaillée d'un dispositif de détection d'un bord contrasté, présentant une zone de contraste lumineux sensiblement rectiligne dans une direction déterminée conforme à l'objet de la présente invention, sera maintenant donnée en liaison avec les figures 3a, 3b et les figures suivantes. Bien entendu, le dispositif objet de l'invention comporte au moins le premier et le deuxième capteur optique Di et D2 de la figure 1 , lequel présente l'angle de vision global Aφ , tel que précédemment défini, et une lentille L présentant un centre optique O. Le premier et le deuxième capteur optique D1 et D2 sont placés sensiblement dans le plan focal image de la lentille L, les directions moyennes d'observation du premier et du deuxième capteur optique D1 et D2 correspondant sensiblement à une ligne (O1OY1, O2OY2) reliant le centre du premier respectivement du deuxième capteur optique et le centre optique de la lentille L, ainsi que représenté en particulier en figure 1. Ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 3a, le dispositif objet de l'invention comporte en outre des ressources de déplacement relatif en translation de l'ensemble formé par le premier et le deuxième capteur optique D-i, D2 par rapport à la zone de contraste lumineux, c'est-à-dire la zone visée dans une autre direction transversale à la direction déterminée du bord contrasté précité. Ce déplacement est un déplacement selon un balayage angulaire périodique de l'angle de vision global Aφ précité suivant la loi de balayage angulaire périodique non uniforme pendant une partie au moins de chaque période de balayage, loi de balayage Ω telle que représentée en figures 2a et 2b, répétée périodiquement. Les ressources de déplacement relatif en translation sont notées A et
1 sur la figure 3a. En outre, le dispositif de détection d'un bord contrasté objet de l'invention comprend un circuit de détection 2, mesurant à partir des signaux délivrés par le premier et le deuxième capteur optique D1 et D2, l'écart temporel Δt , fonction de la position angulaire de la zone de contraste lumineux, le bord contrasté E, par rapport à une direction de référence, la direction MOY12 comprise dans l'angle de vision global Aφ , cette détection étant effectuée à partir de la loi de balayage Ω . Dans un mode de réalisation non limitatif préférentiel, on indique que le premier et le deuxième capteur optique D1 et D2 sont formés chacun par un capteur photoélectrique, tel qu'une diode photoélectrique, dont la sensibilité spectrale peut être choisie soit dans le domaine visible ou même dans le domaine ultraviolet, soit au contraire dans le domaine infrarouge pour la détection nocturne par exemple. Le choix de la longueur d'onde de sensibilité maximale des photodiodes précitées peut alors être effectué en fonction de l'application retenue du dispositif de détection de bord contrasté objet de la présente invention. En ce qui concerne la mise en œuvre du circuit de détection 2, on indique que celui-ci peut comporter, avantageusement, un amplificateur de séparation 20, encore désigné amplificateur trans-impédance, et un circuit de Détection Elémentaire de Mouvement 21, circuit DEM, recevant les signaux délivrés par le premier et le deuxième capteur optique Di et D2 après amplification par l'amplificateur séparateur 20 et permettant, à partir du retard temporel Δt et de la loi de balayage non uniforme Ω de délivrer un signal de sortie V sensiblement proportionnel à l'inverse, Vi . , de l'écart temporel Δt et par conséquent sensiblement proportionnel à la position angulaire de la zone de contraste lumineux E par rapport à la direction de référence MOY12. En ce qui concerne la mise en œuvre du circuit 21 détecteur élémentaire de mouvement, on indique que ce circuit peut correspondre sensiblement au circuit décrit dans l'article A2 précédemment cité édité en 1999 et auquel on pourra se reporter pour une description plus détaillée de ce circuit, en particulier, au chapitre 3 de celui-ci intitulé "Measuring angular speed with an LMD". Sur la figure 3b, on a représenté le signal de sortie V délivré par le circuit détecteur élémentaire de mouvement 21 , l'axe des abscisses de la figure 3b étant gradué en valeurs angulaires positives respectivement négatives de la position angulaire du bord contrasté E par rapport à la ligne de visée MOY12 du capteur. L'axe des ordonnées sur la figure 3b est gradué en amplitude relative positive respectivement négative du signal V délivré par le circuit 21. On constate que la valeur de ce signal est sensiblement linéaire pour des décalages de position angulaire compris entre -2° et +2°. Une description plus détaillée des ressources de déplacement relatives en translation de l'ensemble formé par le premier et le deuxième capteur optique Di et D2 ou de la lentille L vis-à-vis de la zone de contraste lumineux E sera maintenant donnée en liaison avec les figure 4a à 4e en référence à la figure 3a. Ainsi que représenté sur les figures 4a, 4b, par exemple, les ressources de déplacement relatives en translation comportent, lorsque la lentille L est fixe, un élément support déformable A, dont une extrémité est solidaire d'un support mécanique de référence fixe, et dont l'autre extrémité porte le premier et le deuxième capteur optique D1, D2. Les ressources précitées comportent en outre un circuit d'application sur le support déformable A, formant alors un actionneur, d'une contrainte de commande de déplacement périodique permettant d'engendrer un déplacement périodique en translation dans l'autre direction, la direction de balayage S, de l'ensemble formé par le premier et le deuxième capteur optique DL D2, selon la loi de balayage par rapport au support mécanique de référence fixe. Sur les figures 3a, 4a, 4b, 4c et 4d on indique que le support de référence fixe est représenté par des hachures. De préférence, et ainsi que représenté en figure 4a ou 4b, l'actionneur A supporte l'ensemble des capteurs optiques D1 et D2 à l'une de ses extrémités et l'autre extrémité de ce dernier peut, par exemple, être fixée à la référence mécanique fixe. L'ensemble peut avantageusement être enfermé dans une enceinte tubulaire en carbone, par exemple, l'extrémité frontale de l'enceinte tubulaire comportant la lentille L sur la figure 4a, alors qu'une fenêtre ménagée sur la surface de révolution de l'enceinte tubulaire permet d'accueillir la lentille L, laquelle est alors placée en vis-à-vis des capteurs optiques D1 et D2, ainsi que représenté en figure 4b. Une description plus détaillée de l'actionneur A permettant d'engendrer le déplacement en translation sera maintenant donnée en liaison avec la figure 4c et la figure 4d, indépendamment de l'application du déplacement relatif à l'ensemble des capteurs optiques D1, D2, respectivement à la lentille L. De préférence, ainsi que représenté sur les figures 4c et 4d, l'actionneur A peut être formé par deux lames piézoélectriques appariées Ai et A2, lesquelles sont fixées au support fixe à une de leurs extrémités, l'extrémité opposée comportant l'ensemble des capteurs optiques Di, Di,...Dn, ainsi que représenté en figure 4c, respectivement la lentille L, ainsi que représenté en figure 4d. On comprend, en particulier, que les lames piézoélectriques peuvent être constituées de manière non limitative par deux lames piézoélectriques bimorphes ou monomorphes appariées, ou encore par une lame piézoélectrique et une lame ressort, par exemple, ou par des moyens équivalents. Dans ces conditions, l'application d'une tension électrique adaptée conformément à la loi de balayage permet d'effectuer l'application d'une contrainte de commande de déplacement périodique selon la direction de balayage S tel que représenté sur les figures 4c et 4d. Dans une variante, l'une des deux lames piézoélectriques peut être utilisée comme capteur de position des photodiodes Di, D2, Fig. 4c, ou de la lentille L, Fig. 4d, ce capteur pouvant être alors inclus dans une boucle d'asservissement de position des photodiodes ou de la lentille. Dans le même but un circuit de mesure, par jauges de contraintes, de la position linéaire du premier et du deuxième capteur optique Di, D2 ou de la lentille L, à partir de la déformation du support déformable, peut être avantageusement prévu. Ainsi que représenté en figure 3a, la ressource 1 permettant l'application d'une contrainte de commande de déplacement peut comporter avantageusement un générateur de balayage 10 délivrant une tension de balayage, un circuit 11 de mise en forme recevant la tension de balayage et délivrant un signal de commande de balayage intermédiaire et un circuit 12 amplificateur haute tension alimenté en tension continue par un générateur haute tension 13, le circuit amplificateur haute tension étant commandé par le signal de commande de balayage intermédiaire délivré par le circuit 11 de mise en forme pour délivrer une tension de commande périodique de déplacement, laquelle est appliquée, bien entendu, à l'actionneur A des figures 4a et 4b et, en particulier, aux lames piézoélectriques Ai et/ou A2 des figures 4c et 4d. Pour ce qui concerne l'application de la contrainte de commande de déplacement précitée, on indique que cette contrainte de déplacement peut être ramenée à un simple calibrage du déplacement angulaire décrit par l'article A2 édité en 1999. Ainsi que représenté en Figure 1 , le déplacement en translation ξ peut être assimilé à la rotation Δξde l'angle de vision global Aφ ou du demi- angle de ce dernier donné sensiblement par le rapport de la demi-distance des centres O1 et 02 séparant les capteurs optiques D1 et D2 et la distance focale f de la lentille L. Selon une variante de mise en œuvre représentée en figure 4e, une pluralité de dispositifs, tel que décrits précédemment en liaison avec les figures précitées, peut être prévue afin d'augmenter le champ de vision global du dispositif de détection jusqu'à la rendre panoramique si nécessaire. Chaque dispositif formant un dispositif élémentaire comporte une lentille fixe, notée Li à L3, à titre d'exemple non limitatif. Ces dispositifs élémentaires sont agencés sensiblement sur une surface sphérique comportant un centre commun, ce centre commun constituant pour le système d'acquisition le centre optique d'un angle de vision global élargi à l'ensemble des angles de vision global Aφ de chacun des dispositifs pris ensemble. Sur la figure 4e précitée, le nombre de dispositifs élémentaires est volontairement limité à 3 afin de ne pas surcharger le dessin. Dans ces conditions, chaque couple de premier et deuxième capteur On, O12 ; O21, O22 et O31, O32 pour les lentilles L-i, L2 et L3 respectivement, peut alors être connecté à un dispositif de détection de mouvement élémentaire comportant en fait un circuit de détection, symbolisé par 20-21 , pour chacun des dispositifs élémentaires considérés. Le signal de sortie délivré par chacun V1, V2 et V3 peut alors être échantillonné pour un traitement numérique subséquent. Une description plus détaillée d'un mode de mise en œuvre particulièrement avantageux du dispositif de détection d'un bord contrasté, conforme à l'objet de la présente invention, sera maintenant donnée en liaison avec les figures 5a et 5b. D'une manière générale, on rappelle que la direction S, dans laquelle le balayage périodique par translation relative de l'ensemble formé par le premier et le deuxième capteur optique D-t, D2 vis-à-vis du bord contrasté E est effectué, peut être a priori quelconque. Toutefois, dans un mode de mise en œuvre non limitatif, lorsque ce balayage est effectué dans le but d'assurer la détection d'un seul bord contrasté E, cette direction peut avantageusement être perpendiculaire à la direction déterminée dans laquelle s'étend le bord contrasté E. On indique qu'un tel mode opératoire peut être facilité en orientant la direction de balayage S dans un plan correspondant sensiblement au plan focal de la lentille L. Dans ce but, et conformément à un mode de mise en œuvre avantageux du dispositif de détection objet de la présente invention, celui-ci, ainsi que représenté en figures 5a et 5b, comprend avantageusement un dispositif d'orientation de l'ensemble formé par l'élément support déformable A, ou l'ensemble des premier et deuxième capteur optique D-i, D2 et le support mécanique de référence fixe. Ce dispositif d'orientation permet alors d'orienter la direction du déplacement périodique en translation S du premier et du deuxième capteur optique D-i, D2 dans cette autre direction transversale à la direction déterminée de la zone de contraste lumineux sensiblement rectiligne, le bord contrasté E. Dans le cas de la figure 5a où la lentille L est frontale par rapport à l'enceinte tubulaire comportant l'ensemble des diodes D-i, D2 et l'actionneur A, on indique, ainsi que représenté sur cette figure, que le support peut être constitué par une plate-forme entraînée par un micromoteur μM, faisant subir à l'ensemble formé par l'actionneur A, les diodes D1 et D2, et bien entendu le support fixe une rotation selon l'axe longitudinal de l'ensemble, représentée par la double flèche OS, dont l'effet est de modifier l'orientation du balayage S. On comprend ainsi que la direction de balayage S est alors orientée par rapport à la direction non représentée aux dessins du bord contrasté E. Lorsque, au contraire, l'ensemble formé par les capteurs optiques D1 et D2 est placé vis-à-vis d'une lentille L fixe, ainsi que représenté en figure 5b, l'actionneur A, en particulier lorsqu'il est formé par les actionneurs Ai et A2, solidaires de l'ensemble formé par les diodes D1, D2, ainsi que représenté en figure 5b, peut alors être monté avantageusement sur une couronne circulaire mobile, notée CC, montée sur un roulement à billes dont l'axe est confondu avec celui de L par rapport à un support fixe SF en forme de rail de guidage circulaire, par exemple. L'ensemble de la couronne circulaire CC de l'actionneur A ou A-i, A2 et de l'ensemble des diodes D-i, D2 en figure 5b peut être alors positionné en orientation par l'intermédiaire d'un micromoteur μM non représenté aux dessins et délivrant ainsi une nouvelle direction S de balayage. Enfin, pour la détection d'une cible bidimensionnelle comportant au moins deux bords contrastés, le dispositif de détection de bord contrasté objet de la présente invention peut comporter, ainsi que représenté en figure 6a, un premier et un deuxième dispositif de détection, ainsi que décrit précédemment dans la description en liaison avec la figure 4a à 4c, par exemple, le premier et le deuxième capteur optique du premier respectivement du deuxième dispositif de détection et les directions de déplacement relatif périodique de ces derniers étant sensiblement perpendiculaires. Dans un mode de mise en œuvre non limitatif tel que représenté en figure 6a et 6b, les deux capteurs optiques Di et D2 peuvent avantageusement être remplacés par une matrice de détecteurs optiques tel que des photodiodes, chacun constituant un pixel Dj, la matrice de diodes rectangulaire ainsi constituée formant une rétine bidimensionnelle. Dans ces conditions, les deux directions de déplacement relatif périodique sont alors sensiblement perpendiculaires et référencées Sv respectivement SH sur la figure 6a. La matrice de diodes peut alors être montée dans un cadre F formant un châssis rigide, suspendue par des ressorts SP assurant une suspension suffisante, vis-à-vis du cadre F, pour la matrice de diodes ainsi formée, et les actionneurs sont alors des actionneurs Ai et A2 montés de manière semblable à celle décrite en liaison avec les figures 4a à 4c, par exemple, par l'intermédiaire d'une microbille, pour assurer le balayage dans la direction verticale Sv respectivement horizontale SH. Un tel agencement peut être réalisé de préférence, ainsi que représenté en figure 6b, en appliquant la contrainte de déplacement à deux dimensions précitées, non pas sur la mosaïque de photodiodes Dj mais sur un cadre supportant la lentille L placée devant une matrice de diodes fixes et se déplaçant ainsi dans un plan perpendiculaire à son axe optique et à distance constante de photodiodes. Dans ces conditions, pour exécuter le balayage horizontal SH respectivement vertical Sv, et selon un mode spécifique de mise en œuvre du dispositif de détection objet de la présente invention, on indique que les balayages périodiques vertical respectivement horizontal peuvent être alors exécutés de manière alternée. La détection peut alors être effectuée en synchronisme avec chacun des deux balayages vertical respectivement horizontal. A titre d'exemple, un détecteur à bord contrasté objet de la présente invention, dans lequel le balayage en rotation de l'angle de vision global des capteurs optiques est obtenu par un balayage en translation rectiligne de deux photodiodes placées sensiblement dans le plan focal d'une lentille de distance focale f = 8,5 mm a donné les résultats ci-après :
Figure imgf000020_0001
L'actionneur de type piézoélectrique à bande passante large 500 Hz de faible masse 1 ,4 g permet d'engendrer une translation d'amplitude aussi grande que 1 mm, en boucle ouverte, avec des temps de réponse faibles. L'utilisation d'une lentille L de distance focale 50 fois plus grande que celle de 8,5 mm du dispositif détecteur objet de l'invention expérimenté permet de détecter une barre noire de largeur 50 mm telle qu'un câble de ligne électrique à haute tension, à une distance de 500 mètres, ou encore une barre noire de diamètre 100 mm, telle qu'un câble de téléphérique, à une distance d'1 kilomètre. Une description plus détaillée d'un système de fixation et de poursuite fine d'une cible comportant au moins un bord contrasté présentant une zone de contraste lumineux sensiblement rectiligne dans une direction déterminée constitutive de ce bord contrasté E sera maintenant décrite en liaison avec les figures 7a et 7b. Sur la figure 7a, on a représenté, en vue de dessus, un ensemble constituant un système de stabilisation de la ligne de visée et de poursuite fine d'une cible comportant au moins un bord contrasté E, conforme à l'objet de la présente invention. Le système précité comprend un dispositif de détection DD, tel que décrit précédemment dans la description en liaison avec les figures 1 à 4e plus particulièrement 4b et un support mécanique ET dans lequel ce dispositif de détection est susceptible d'être orienté. Sur la figure précitée, ET désigne un carter représentant symboliquement la référence spatiale du crâne humain et le dispositif DD constitue alors une représentation fidèle d'un œil humain susceptible de se mouvoir dans son orbite. Un micromoteur électronique μME permet, par un système d'articulation par vis V bielle B et manivelle M sans jeu, d'assurer une orientation du dispositif de détection DD conforme à l'objet de la présente invention par rapport au carter externe ET et d'assurer un mouvement comparable à celui du globe oculaire dans l'orbite du crâne humain. La position angulaire du carter ET dans un repère absolu est notée Qh .
La ligne de visée du dispositif de détection DD (axe MOY12 de la figure 1 ) est notée Qeh Par raPPort au carter ET et Q par rapport à la direction absolue OY,
ce dernier angle correspondant rigoureusement à la somme Qeh+ Qh . Quant au bord contrasté E, sa position angulaire dans le repère absolu (O, X, Y) est notée a- En référence à la figure 7a, on comprend qu'une rotation du moteur pas à pas μME piloté par le signal de commande Ue entraîne par l'intermédiaire du système vis-bielle-manivelle B, une rotation et une orientation du dispositif de détection DD, libre de tourner à l'intérieur du carter ET. En conséquence, la commande Ue pilotant la position de l'arbre du moteur μME contrôle directement l'orientation, donc la ligne de visée (= direction de référence MOY12) du dispositif de détection DD. Le système représenté en figure 7a permet de maintenir constamment la ligne de visée du dispositif de détection DD sur le bord contrasté E, entraînant donc la "fixation" par ce dernier de ce bord contrasté si celui-ci est fixe et sa "poursuite fine" si le bord contrasté est déplacé. Selon une caractéristique remarquable du système objet de l'invention, tout ceci se produit en dépit des perturbations de rotation appliquées sur le support ET. Chez l'homme, la ligne de visée de l'œil est fréquemment perturbée par les mouvements de la tête. La réjection de ces perturbations est assurée par le réflexe vestibulo-oculaire (VOR). Ce réflexe permet de maintenir la ligne du regard constante malgré les perturbations de rotation engendrées par la tête. La figure 7b montre le schéma fonctionnel du système de stabilisation de la ligne de visée et de poursuite fine objet de l'invention. En référence à la figure 7b précitée, on indique que le système objet de l'invention comprend en outre une ressource H(p) de mesure de la vitesse de rotation Ωh du support mécanique ET. Cette ressource est avantageusement constituée par un gyromètre, solidaire du carter ET comme l'indique la figure 7a. Il comprend en outre une ressource de commande directe, à partir d'un signal de commande en boucle ouverte de l'orientation de la direction de référence du dispositif de détection DD, cette ressource délivrant un signal de commande directe UVOR à partir de la mesure de la vitesse de rotation Ωh du support mécanique ET. Il comprend enfin une boucle d'asservissement visuel de la direction de référence MOY12 à la direction détectée Qt d'au moins un bord contrasté appartenant à la cible. Cette boucle d'asservissement visuel est formée par le dispositif de détection DD, un inverseur Inv, un circuit non linéaire ZSL et un correcteur Cv(p) et délivre le signal de commande Uv. Enfin, une ressource de fusion permet d'obtenir une combinaison linéaire du signal de commande directe UVOR. et, du signal de commande Uv. En référence à la figure 7b, la ressource de fusion est constituée par un soustracteur
St, le signal de commande directe UVOR étant soustrait du signal de commande directe d'asservissement Uv. L'écart entre 0 et Qt est un signal d'erreur que mesure le dispositif de détection DD. On comprend qu'en fin de compte, la commande Ue du micromoteur électronique μME résulte à chaque instant de la différence entre un signal Uv provenant de la boucle d'asservissement visuel basée sur le dispositif de détection DD et un signal UVOR provenant d'un correcteur CVOR ayant pour entrée la vitesse angulaire du carter ET, mesurée au moyen du gyromètre H(p). La position angulaire Qn du carter constitue à la fois : - une perturbation pour la boucle visuelle, elle-même constituée les fonctions de transfert du dispositif de détection DD, du limiteur non linéaire ZSL et du correcteur Cv(p) = Kv/p ; - une commande pour la boucle visuelle au travers de la commande
Uvor générée par le filtre correcteur CVOR- Une rotation du carter ET entraîne une rotation du dispositif de détection DD et donc une différence angulaire entre Q et θr Cette différence est compensée par le correcteur Cv mais avec une dynamique lente car celle-ci est limitée par la fréquence de balayage du dispositif de détection DD. La boucle visuelle seule ne peut rejeter que des perturbations de rotation ayant une fréquence maximale de 0,4 Hz pour une amplitude de 2°. Pour accélérer la dynamique de réjection de la perturbation 0h > '• a donc été ajouté à la commande Uv associée à une dynamique de réjection très lente, une commande UVOR dont la fonction est de piloter l'orientation du dispositif de détection DD à partir d'une mesure directe de la vitesse angulaire de la perturbation Qh
(commande directe). Dans le cas théorique idéal, CVOR est calculé de manière à compenser parfaitement les dynamiques introduite par OP et par H(p) :
Figure imgf000023_0001
En conséquence, dans le cas où Uv=0, on obtient donc :
Figure imgf000023_0002
Ceci signifie qu'une rotation du support ET est parfaitement compensée par une rotation du dispositif de détection DD de même amplitude mais de sens opposé. Cependant la fonction de transfert Cvor(p) ne peut pas être mise en œuvre directement, en raison d'une stabilité insuffisante. Cette fonction de transfert théorique a en conséquence été approximée par la fonction de transfert suivante : p + a -p + c CVor(p)=K avec K = 0.011 , a = 140 rad/s, b = 5 rad/s et bp + 1 p + c c = 0.45 rad/s. Ce filtre ainsi constitué est formé d'un pseudo-intégrateur mis en cascade avec un filtre passe-tout apportant de la phase négative sans modifier la courbe de gain du pseudo-intégrateur. En définitive, le système de la figure 7b permet de combiner (fusionner) une boucle visuelle relativement lente, responsable de la fixation et de la poursuite fine d'un bord contrasté, avec une action permettant au dispositif de détection DD de réagir rapidement à des perturbations de rotation appliquées sur le support ET. En d'autres termes, ce système permet de faire cohabiter de manière remarquablement complémentaire, et en combinaison, deux sous- systèmes apportant chacun sa contribution : - un premier sous-système lent mais précis, car doué d'hyperacuité : la boucle visuelle formée par la boucle d'asservissement basée sur le dispositif de détection DD ; - un deuxième sous-système rapide mais peu précis (en termes de dérive introduite par le gyromètre) : le système VOR. La fusion ou combinaison précitée du système dispositif de détection DD, objet de l'invention, avec un système gyrométrique constitue un développement majeur de cette dernière. Expérimentalement, il a été établi que le système oculomoteur présenté dans la figure 7a est parfaitement capable, grâce à la fusion ou combinaison réalisée, de suivre une cible se déplaçant selon une loi sinusoïdale
Qt( (amplitude 4°, fréquence 0,2 Hz) tout en rejetant une perturbation de rotation Qh elle aussi sinusoïdale d'amplitude semblable, 4°, mais de fréquence dix fois plus élevée, 2 Hz). Des essais du système ainsi modélisé, tel que représenté en figure 7b, ont été effectués en testant la réjection de perturbation de mouvement de la tête, c'est-à-dire du carter externe ET, afin de maintenir une direction de visée fixe impliquant deux types de perturbation appliquées au carter externe ET : * Une rotation brusque (échelon de 3°) Qh > laquelle est répétée rapidement, ou une rotation Qt, laquelle provoque alors une poursuite fine, ainsi que décrit précédemment dans la description. Les essais précités ont montré que l'introduction d'une perturbation correspondant à une rotation du carter externe ET d'un angle Qh engendre une perturbation pour le correcteur visuel Cv et pour le correcteur CVOR- Cette perturbation peut être décomposée en deux parties : - une partie transitoire correspondant à la réponse inertielle du système VOR dont le temps de réponse est simplement de l'ordre de 10 ms ; - une partie continue correspondant sensiblement à la réponse visuelle, laquelle supporte un temps de réponse plus long, de l'ordre de 100 ms, avec lequel le dispositif de détection DD opère de manière effective, précise et stable à long terme. Les essais conduits en laboratoire ont montré que la direction de visée Q reste sensiblement figée dans l'espace, grâce à la mise en œuvre du système complet dont le schéma fonctionnel est représenté en figure 7b. Ce mode opératoire peut être comparé de manière particulièrement avantageuse à la compensation de la direction de visée du regard humain. Les essais ont montré que, du fait de la fusion des deux signaux de commande visuel
Uv et inertiel UVOR une perturbation de type échelon, d'amplitude 3°, appliquée sur l'orientation Qh du carter externe ET est rejetée à 90% de sa valeur finale en
30 ms. • Une deuxième série d'essais a été conduite pour une perturbation correspondant à une perturbation harmonique sensiblement sinusoïdale de l'orientation du carter externe ET, c'est-à-dire de la tête, perturbation appliquée ainsi à l'installation oculomotrice. Les essais ont alors montré que même en présence d'une perturbation sensiblement sinusoïdale à fréquence rapide à 2 Hz imposée sur le carter externe ET, une telle perturbation est immédiatement compensée par une contre- rotation en opposition de phase du dispositif de détection DD représentant l'œil, cette compensation ayant pour seul effet de provoquer une légère déviation de l'angle de visée Q , la valeur efficace de 0 ayant été évaluée à 0,32°, ce qui est 19 fois plus faible que la perturbation de 6° crête à crête appliquée au carter externe ET simulant la tête. Enfin, des essais de perturbation harmonique appliquée au carter externe ET ont été effectués pour différentes fréquences, la fréquence de ces perturbations ayant été choisie dans une plage de valeurs comprises entre 0,5 et 6 Hz. Dans ces conditions, la variation de la direction de visée Q n'a jamais dépassé 0,55° jusqu'à la fréquence maximale de 6 Hz précitée. A titre de comparaison, la fréquence maximale des perturbations que la boucle de rétroaction visuelle seule est susceptible de rejeter, c'est-à-dire en l'absence de la combinaison avec la boucle de commande directe VOR, est limitée à 0,4 Hz pour une amplitude de 6° crête à crête appliquée au carter. Les performances du système de stabilisation de la ligne de visée et de poursuite fine d'une cible, objet de la présente invention sont remarquables car le système précité, tel que décrit, est en mesure dans une application à bord d'un hélicoptère en vraie grandeur de compenser le mode fondamental des vibrations à 5 Hz environ introduites par le rotor principal. On a ainsi décrit un procédé et un dispositif de détection d'un bord contrasté particulièrement performant dans la mesure où le procédé et le dispositif objets de l'invention permettent la mise en œuvre d'un système reproduisant le comportement du regard donc de la ligne de visée de l'œil de l'homme ou des mammifères supérieurs. En particulier, le procédé, le dispositif de détection d'un bord contrasté objet de la présente invention et le système correspondant, utilisant ces derniers, sont susceptibles d'applications les plus variées, telles que mentionnées précédemment dans l'introduction à la description. En particulier, on indique, à titre d'exemple non limitatif, que le dispositif de détection d'un bord contrasté objet de la présente invention, tel que représenté en figures 5a ou 5b, est susceptible d'une application directe à l'aide à la navigation d'aéronefs tel que des hélicoptères, par exemple pilotés ou télépilotés, notamment lorsque ces derniers sont amenés à évoluer en contexte opérationnel difficile et, notamment, en vallée encaissée, en zone urbaine, ou en présence d'objets filiformes tels que les lignes à haute tension.

Claims

REVENDICATIONS 1. Procédé de détection d'un bord contrasté présentant une zone de transition lumineuse sensiblement rectiligne dans une direction déterminée et séparant deux plages de luminance différente, caractérisé en ce qu'il consiste au moins à : - effectuer, dans une autre direction transversale à cette direction déterminée, un balayage périodique de position de l'angle de vision global d'un premier et d'un deuxième capteur optique, par translation relative de l'ensemble formé par ce premier et ce deuxième capteur optique dans cette autre direction, la loi de balayage périodique correspondant à un balayage non uniforme pendant une partie au moins de chaque période de balayage périodique, l'angle de vision global étant délimité par la direction moyenne d'observation de ce premier et de ce deuxième capteur optique ; - mesurer l'écart temporel, à partir des signaux délivrés par le premier et le deuxième capteur optique, qui dépend de la position angulaire de cette zone de transition lumineuse, par rapport à une direction de référence, comprise dans cet angle de vision global, à partir de la loi de balayage, cette direction de référence étant liée à une valeur spécifique de cet écart temporel. 2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que pour un ensemble formé par ce premier et ce deuxième capteur optique et pour une lentille présentant un centre optique intercalée entre cet ensemble et cette zone de contraste lumineux, ce premier et ce deuxième capteur optique étant placés sensiblement dans le plan focal image de cette lentille et les directions moyennes d'observation du premier et du deuxième capteur optique correspondant sensiblement à une ligne reliant le centre du premier respectivement du deuxième capteur optique et le centre optique de cette lentille, l'étape de balayage périodique de position consiste à soumettre ledit ensemble, formé par le premier et le deuxième capteur optique, respectivement ladite lentille à un déplacement relatif en translation dans ladite autre direction. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite direction déterminée et ladite autre direction transversale à cette direction déterminée sont orthogonales. 4. Dispositif de détection d'un bord contrasté présentant une zone de transition lumineuse sensiblement rectiligne dans une direction déterminée, ce dispositif comportant au moins un premier et un deuxième capteur optique présentant un angle de vision global, délimité par la direction moyenne d'observation de ce premier et de ce deuxième capteur optique, et une lentille présentant un centre optique, le premier et le deuxième capteur optique étant placés sensiblement dans le plan focal image de cette lentille et les directions moyennes d'observation du premier et du deuxième capteur optique correspondant sensiblement à une ligne reliant le centre du premier respectivement du deuxième capteur optique et le centre optique de cette lentille, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte en outre : - des moyens de déplacement relatif en translation de l'ensemble, formé par le premier et le deuxième capteur optique, et de la zone de transition lumineuse dans une autre direction transversale à cette direction déterminée, selon un balayage périodique de position de l'angle de vision global suivant une loi de balayage périodique non uniforme pendant une partie au moins de chaque période de balayage périodique, lesdits premier et deuxième capteur optique délivrant des signaux de détection, et - des moyens de mesure, à partir de ces signaux de détection, de l'écart temporel de ces signaux lié à la position angulaire de cette zone de transition lumineuse, par rapport à une direction de référence comprise dans cet angle de vision global à partir de la loi de balayage, cette direction de référence étant liée à une valeur spécifique de cet écart temporel. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier et le deuxième capteur optique sont formés chacun par un capteur photoélectrique. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement relatif en translation comportent, ladite lentille étant fixe : - un élément support déformable solidaire, d'une part, dudit ensemble formé par le premier et le deuxième capteur optique, et, d'autre part, d'un support mécanique de référence fixe ; - des moyens d'application, sur ledit support déformable, d'une contrainte de commande de déplacement périodique permettant d'engendrer un déplacement périodique en translation dans cette autre direction de l'ensemble formé par le premier et le deuxième capteur optique, selon ladite loi de balayage par rapport audit support mécanique de référence fixe ; - des moyens de mesure de la position linéaire du premier et du deuxième capteur optique ou de la lentille à partir de la déformation du support déformable. 7. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement relatif en translation comportent, ledit ensemble formé par le premier et le deuxième capteur optique étant fixe : - un élément support déformable solidaire, d'une part, de cette lentille, et, d'autre part, d'un support mécanique de référence fixe ; - des moyens d'application, sur cet élément support, d'une contrainte de commande de déplacement périodique permettant d'engendrer un déplacement périodique en translation dans cette autre direction de ladite lentille, selon ladite loi de balayage, par rapport audit support mécanique de référence fixe. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d'application d'une contrainte de commande de déplacement comportent au moins : - un générateur de balayage délivrant une tension de balayage ; - un circuit de mise en forme recevant la tension de balayage et délivrant un signal de commande de balayage intermédiaire, conforme à la loi de balayage non uniforme ; - un circuit amplificateur, alimenté en tension continue, commandé par ledit signal de commande de balayage intermédiaire et délivrant une tension de commande périodique de déplacement ; - un actionneur électromécanique sensible à la tension de commande périodique. 9. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure de la position angulaire de la zone de transition lumineuse comportent au moins : - un amplificateur séparateur recevant les signaux délivrés par le premier et le deuxième capteur optique et délivrant des signaux amplifiés ; - un module détecteur élémentaire de mouvement recevant lesdits signaux amplifiés, permettant, à partir dudit retard temporel et de la loi de balayage non uniforme, de délivrer un signal fonction sensiblement linéaire de la position angulaire de ladite zone de contraste lumineux par rapport à ladite direction de référence. 10. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la direction déterminée et l'autre direction transversale à ladite direction déterminée sont orthogonales. 11. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que celui-ci comprend en outre des moyens d'orientation de l'ensemble formé par l'élément support déformable, la lentille ou l'ensemble des premier et deuxième capteur optique, et le support mécanique de référence fixe, de manière à orienter la direction du déplacement périodique en translation de la lentille ou de l'ensemble des capteurs optiques dans cette autre direction transversale à ladite direction déterminée de la zone de transition lumineuse sensiblement rectiligne. 12. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 11 , caractérisé en ce que le premier et le deuxième capteur optique sont formés par une matrice de photodiodes rectangulaire et en ce que les moyens de déplacement relatif du premier et du deuxième dispositif de détection et de leur direction de déplacement relatif périodique sont formés par : - un châssis sensiblement rectangulaire ; - des moyens de liaison élastique de la matrice de photodiodes au châssis ; et - des moyens électro-mécaniques permettant d'engendrer alternativement un déplacement périodique de la matrice de photodiodes ou de la lentille dans une première et une deuxième direction perpendiculaire au châssis. 13. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que celui-ci comprend une pluralité de dispositifs élémentaires selon l'une des revendications 4 à 11 , chaque dispositif élémentaire comportant une lentille fixe étant agencé sensiblement sur une surface sphérique comportant un centre commun, le centre commun constituant, pour ledit dispositif, le centre optique d'un angle de vision global élargi à l'ensemble des angles de vision global de chacun des dispositifs élémentaires pris ensemble. 14. Système de fixation visuelle et de poursuite fine d'une cible comportant au moins un bord contrasté présentant une zone de transition lumineuse sensiblement rectiligne dans une direction déterminée constitutive de ce bord contrasté, caractérisé en ce qu'il comporte au moins : - un dispositif de détection (DD) selon l'une quelconque des revendications 4 à 13 ; - un support mécanique (ET), dans lequel ledit dispositif de détection est susceptible d'être orienté ; - un moyen H(p) de mesure de la vitesse de rotation dudit support mécanique (ET) ; - un moyen de commande directe, en boucle ouverte, de l'orientation de la direction de référence dudit dispositif de détection, ce moyen de commande délivrant un signal de commande directe (UVOR) à partir de la mesure de la vitesse de rotation dudit support mécanique (ET) ; - des moyens formant une boucle d'asservissement visuel de la direction de référence à la direction détectée d'au moins un bord contrasté appartenant à la cible ; - des moyens de fusion, par combinaison linéaire, dudit signal de commande directe (UVOR) et du signal de commande d'asservissement visuel. 15. Système selon la revendication 14, caractérisé en ce que le moyen de commande directe de l'orientation de la direction de référence du dispositif de détection à partir de la vitesse de rotation du support mécanique comporte un correcteur (CVOR(P)) apte à commander la direction de référence du dispositif de détection (DD) en opposition de phase et avec un gain sensiblement unitaire par rapport à la position angulaire dudit support mécanique (ET), de manière à compenser rapidement toute perturbation de rotation engendrée par le support mécanique (ET). 16. Système selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que les moyens formant une boucle d'asservissement visuel comportent au moins : - ledit dispositif de détection (DD), - un inverseur de polarité (Inv) du signal de sortie délivré par le dispositif de détection (DD) ; - une fonction de transfert non linéaire (ZSL) ; - un correcteur de boucle (Cv(p)). 17. Système de fixation visuelle et de poursuite fixe d'une cible selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que lesdits moyens de fusion sont formés par un soustracteur (St) recevant le signal de sortie délivré par le moyen de commande directe et le signal de commande d'asservissement.
PCT/FR2005/000643 2004-04-23 2005-03-16 Procede et dispositif de detection en hyperacuite d'un bord contraste sensiblement rectiligne et systeme de fixation et de poursuite fine de ce bord contraste. WO2005111536A1 (fr)

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