WO2011073144A1 - Procede de calibrage d'un instrument de mesure d'un systeme optronique - Google Patents

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WO2011073144A1
WO2011073144A1 PCT/EP2010/069533 EP2010069533W WO2011073144A1 WO 2011073144 A1 WO2011073144 A1 WO 2011073144A1 EP 2010069533 W EP2010069533 W EP 2010069533W WO 2011073144 A1 WO2011073144 A1 WO 2011073144A1
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measurement
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Alain Simon
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Thales
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/16—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S5/163—Determination of attitude
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/12—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using electromagnetic waves other than radio waves

Definitions

  • the field of the invention is that of the calibration of an optronic system moving and viewing a fixed point for the benefit of its location or its pointing.
  • This system is equipped with measuring instruments for measuring angles and / or distances from the target point.
  • the invention relates more precisely to the calibration of these measuring instruments installed in the system.
  • measuring instruments include systems for platform navigation, sensors for scene detection and analysis, and for some, weapons to deter or attack targets within the platform. security or combat missions.
  • the navigation system traditionally uses for its positioning, an inertial unit including gyrometers, accelerometers and treatments for the attitude calculation of the platform; a GPS and a barometer also contribute to its positioning and their measurements are merged with inertial measurements, for a better quality of the general navigation solution.
  • the detection and scene analysis systems include optronic sensors with detectors operating from the visible range to infrared to acquire a video of the scene, a rangefinder to measure the distance to it.
  • the line of sight (or LdV) of the sensor has an ability to orient itself nimbly to quickly acquire an area of the scene corresponding to the instantaneous field of view of the sensor.
  • Inertial measurement units or other opto-mechanical devices are still used to measure the attitude of the LdV with respect to a sensor reference or in an absolute manner.
  • - Weapon systems include inertial and positioning means for guiding ammunition towards their objectives. They can also use auto-directors with optronic or radar imagery to correct their terminal guidance on the designated targets.
  • This optronic system is generally installed on a platform on board an aircraft or more generally on board a vehicle whose known position is for example provided by an inertial unit.
  • the determination of the mounting defects of the system on the platform and the defects of the measurements made by the instrument is a preliminary step to any localization or pointing procedure, in particular when it involves measuring instruments distributed on the system.
  • Mounting faults result in non-alignment of the reference axes of the platform mark to those of the mark of the measuring instrument.
  • the operation of measuring the angles qualifying the transformation between landmarks is a procedure referred to as harmonization, when it comes to orient the measurement instruments among themselves; or alignment when it comes to orienting them (or positioning) relative to the reference system reference (boresight alignment).
  • the mounting of a sensor on an airborne platform introduces deviations of orientation between the reference axes of the platform and the sensor up to several degrees.
  • the current value of the errors on the knowledge of the angles of assembly is of the order of 10 mrad.
  • the attitude of the system is typically tainted by an error of about 1 mrad when the information comes from an aeronautical class inertial unit.
  • Instruments for measuring angles and / or distances commonly introduce a bias of a few milli-radians.
  • the platform and the reference axes may undergo mechanical and thermal deformations, in particular caused respectively by a strong acceleration or deceleration and by the variation of the flight height. These thermomechanical constraints induce on the measurements a bias of up to a few mrads.
  • the scale factor results in a deviation of the magnitude measured from the true value whose value is proportional to the value of the magnitude. Its order of magnitude is some 10 parts per million (abbreviated ppm).
  • the drift is translated into a gap in magnitude that grows over time since a date when it was corrected. We talk about slow drift if the increase is small compared to the value.
  • the time range of the measurements is small enough so that the deviation deviation is not dimensioning, it can be treated as an additional bias over the time interval considered.
  • the specific mounting values can be of the order of ten degrees while the accumulation of defects leads to residual errors of about 10 mrad.
  • the translations between the benchmarks of the platform translate deviations of up to a few meters with residual errors that are controlled to reach a few centimeters.
  • the characterization of measurement instrument defects is a systematic step in the production of elementary instruments or sensors integrated into complex systems or sensors. This characterization is translated in a classical way by the estimation of properties (bias, scale factor, ...) of the physical quantities (angle, distance, %), characterized by their statistical values (mean, standard deviation, %) on the field of use of the system.
  • Metrology operations are generally performed on the ground on test benches and in a very precise manner, but in particular measurement conditions that may not always reflect actual conditions of use. These calibration procedures are expensive, laborious, difficult to achieve due to lack of space in the equipment; moreover, the grounding of the acquisition conditions (distance, temperature, mechanical stress) and modeling remains limited by the knowledge of the phenomena.
  • OCM operational maintenance strategy
  • Measured information is highly accurate but often relative. For our application, a method for directly evaluating the global orientation is sufficient and we seek an absolute information.
  • the calibration (or simbleautage) operation consists in making a setting that aligns the Line of Sight (or "LdV”) with the line of sight of the installed optronic system. on a platform.
  • the STANAG 5516 stands for "STANdard AGreement” and reserves specific fields (designated by PPLI for Accurate Participant Location and Identification) to allow the exchange of known positions between network participants for cooperative calibration.
  • Airborne measuring instruments evolve in thermomechanical conditions quite different from what can generally be reproduced on the ground in realistic conditions with all the diversity encountered in their field of operation.
  • the object of the invention is to overcome these disadvantages. More precisely, it is a question of reducing the cost of calibration and its maintenance, while improving its precision and its stability for applications where one seeks to improve autonomously and permanently:
  • the subject of the invention is a method for calibrating instruments for measuring an optronic system in motion, with positions ⁇ - ⁇ , P 2 ,..., Pi, this optronic system comprising:
  • This method makes it possible to carry out an autonomous calibration (without resorting to external information or action), in situ (under operational operating conditions), or in the middle of operations, by evaluating the values obtained under the conditions of use, which represents a benefit for the need for calibration of airborne optronic systems.
  • the original approach is to operate from a single measuring instrument, automatically and autonomously, without requiring human intervention or exact knowledge of the context of acquisition.
  • the only calibrated measuring instrument is an instrument for measuring angles of orientation and / or attitude; the measurements are then acquired from at least three different positions P1, P2, P3.
  • the only calibrated measuring instrument is a rangefinder, and the measurements are acquired from at least two different positions.
  • At least one other fixed object Gi When at least one other fixed object Gi is visible on at least two images, it also optionally comprises a step of mapping between each image of the fixed objects G 0 , Gi, the step of calculating the measurement defects being in further realized according to predetermined characteristics or parameters internal to the sensor (such as the size and dimensions of the elements of the photo-sensitive matrix, the focal length, the Main Image Point, the optical distortion). Note that with sufficient measurements available, these quantities can also be estimated by linearizing the sensor's shooting equations around the approximate values. Moreover, some of these parameters, such as focal length and distortion, fluctuate more particularly with temperature.
  • it comprises a step of calculating the geographical position of G 0 and possibly other fixed objects, from the calibrated measurements.
  • it comprises a step of pointing the fixed object G 0 .
  • it comprises a step of optimizing the measurement conditions based on the determination of an optimal trajectory of the sensor for a known position of the object G 0 , or on the determination of a zone to favor for the search for the object G 0 .
  • it comprises a step of applying the calculated defects to the measurements.
  • This method has many advantages since it improves: - the direct geo-referencing performances of the image which allows a better localization of all its points,
  • the invention also relates to an optronic system that can be moved, which comprises:
  • FIG. 1 schematically illustrates the dispersion of erroneous positions obtained from four different positions
  • FIG. 2 diagrammatically represents an example of an optronic system equipped with means for calibrating a measuring instrument
  • FIG. 3 diagrammatically represents the axes of the reference system and those of the reference of the measuring instrument
  • FIG. 4 schematically represents a simple configuration of measurements for a calibration process (A (L) RFM) of an angle and distance measurement defect of bias nature and scale factor,
  • FIG. 5 represents a diagram of the measurements taken to feed the process according to the invention
  • Figure 6 schematizes the transformations to move from one benchmark to another
  • FIGS. 7 and 7 show a diagram of the acquisition conditions enabling simultaneous passive localization and calibration using motion and proceeding either with passive measurements only (FIG. 7a) or by adding distance or active measurements (FIG. 7b). .
  • the optronic system of interest comprises:
  • an optoelectronic sensor constituting the instrument for imaging and aiming at a fixed point of the ground G 0 on which angle and / or distance measurements are made.
  • the means for acquiring a fixed point of interest (or object) G 0 covers the determination of a suitable area of the scene, the choice of a relevant object and its temporal continuation.
  • This pursuit can be manual or automatic.
  • the automatic tracking capability of the object is to maintain its maintenance in the center of the image during the displacement of the system over time (that is to say over the sequence of images acquired by the sensor) . This is done by measuring its apparent displacement (deviometry) between a reference image and the current image. For this displacement measurement to be possible, it is necessary that the object has been previously "hooked", that is to say detected and located in the image. Snapping allows auto-initialization of the chase.
  • thermodynamic quantities on the most sensitive measuring components in order to allow a temporal analysis of the behavior according to different operating conditions and predict in use the values a priori of the parameters to be estimated from the values learned from the previous calibration procedures.
  • tracking mode On an object of the scene this means that its position (or its pixel coordinates) in the image is kept constant during acquisitions. In the case the most frequent, the tracking mode keeps the object G 0 at the center of the images of the sequence constituting the optronic video during the displacement. The less frequent case of a pursuit on the fixed object imaged outside the image center also makes it possible to carry out the process.
  • the measurements qualify the shooting parameters of the image acquisition device.
  • the proposed method subjects the positions G obtained by the set of measurements acquired over time to the constraint of positioning a fixed point G 0 for the different positions Pi, P 2 , of the optronic system.
  • the mounting defects and / or measurement of the instruments actually produce position solutions for the fixed object G 0 , different from each other as well as reality.
  • At each position P, of the system are associated the measurements taken in these positions: this is designated measurement set.
  • the N sets of measurements (system position, angle and / or distance) give N positions which because of measurement errors do not coincide at a single point but present a dispersion.
  • the dispersion between the measurements constitutes a signature of the defects for given shooting conditions (trajectory of the system, considered angles, thermodynamic condition of operation). This is illustrated in Figure 1 with measurements of angles around a single direction; are represented in this figure four known positions ⁇ - ⁇ , P 2 , P3, P4 of the platform, and the actual position G 0 of the fixed object.
  • the measurement fault introduces an error ⁇ on the LdV of the measuring instrument, ⁇ being the angle of rotation in the plane as shown in Figure 3.
  • ⁇ being the angle of rotation in the plane as shown in Figure 3.
  • the LdV from Pi intersects in G-
  • the LdV coming from P 2 crosses at G 23 with the LdV coming from P3, at G 24 with the LdV coming from P 4 .
  • the LdV resulting from P 3 intersects in G 34 with the LdV resulting from P 4 .
  • N (N-1) / 2 positions whose distribution signifies the measurement defects ⁇ as illustrated in the example above for a dimension.
  • N (N-1) / 2 positions whose distribution signifies the measurement defects ⁇ as illustrated in the example above for a dimension.
  • ICU Inertial Navigation System
  • PPI main image point
  • the physical modeling of the various gimbals of the system is carried out according to the analysis of the effects of the contributions induced by the errors of translations (between axes) and of rotation (axis alignments) as well as the order of the residual errors that we are trying to determine.
  • This analysis conditions the fineness of modeling to be retained for a given equipment and a given need. Feeding the estimation process, by extracting primitives from several views corresponding to details of fixed elements in the scene, makes it possible to have a large number of measurements. This large quantity makes it possible to envisage the estimation of a large number of calibration unknowns as long as the quality of pairing, the distribution and the dilution (or geometry of the CPDV) of the primitives are sufficient and the different transformations to characterize are well separable.
  • FIG. 6 illustrates such a situation where the rotation "R" and the translation "T" are expressed as a function of the elementary transformations (R k , T k ) between the successive references such as:
  • the knowledge of the transformations can be based either on specifications, evaluations or soil calibration, for example, or on the basis of previous evaluations carried out with different operating conditions of the system.
  • the type of hardware architecture of the instrument used for the measurement of attitude angles determines the number of quantities to be estimated. This one quickly becomes important with the increase of the number of mechanical gimbals to compose to have the absolute attitude of the line of sight or "LdV".
  • the attitude calculation uses 3K angles for a system setup involving relative attitude measurements between K mechanical gimbals.
  • the attitude calculation can be reduced typically to a minimum of 3 elementary rotations for a measuring instrument that estimates the absolute attitude of its LdV by means of an AHRS device, which stands for the English expression "Attitude Heading Reference System”. ".
  • the modeling of the image-taking function i of the optronic sensor located in (x ,, y ,, z,) makes it possible to write in a general manner the location function assigning position coordinates (x, y, z) in a geographical reference associated with the scene at a point k of coordinates (p ki , q ki ) in a reference of the image "i" in the form:
  • the internal parameters model the main effect of the distortion in the form of a radial deformation of the perfect pixel coordinates (p, q) by transforming them into (p ', q') according to the following form:
  • the internal shooting parameters (focal length, Main Image Point (PPI) position on the detector, optical distortion),
  • the pixel of coordinates (p c , q c ) corresponds to the center of the distortion also called Main Point of Symmetry (PPS).
  • PPS Main Point of Symmetry
  • an automatic management makes it possible to select the zone concerned in order to decide on the effective implementation of the process according to: i. the analysis of the content of the scene based on the contrast of the image area and on the characteristics of the primitives extracted by the image processing,
  • Matching previous primitives by exploiting the epipolar geometry of the images for the MEC between images taken from fairly distant positions or more conventional tracking techniques in the image sequence.
  • a pairing (or MEC) of primitives (denoted k and I) between the images (denoted i and j) gives rise to a binding of primitives in the form of a pair ⁇ (p ki , q ki ); (p, q) ⁇ .
  • Links in the form of a triplet or quadruplet of primitives can also be used when they are detected between 3 or 4 images for example,
  • the estimation of the parameters is carried out so as to minimize all the residues on the ground coordinates of the link primitives extracted from the sequence.
  • the minimum number of primitives to use depends on the number of parameters to be estimated.
  • Each pair of primitives gives at least 2 observation equations and more if the object associated with the primitive is visible on more than 2 images.
  • These couples are generally in large numbers because of the contrasting details contained in the scene and the significant overlap between the images.
  • the process has an advantage in terms of autonomy because of its ability to:
  • the telemeter when it can be used, to link the position of the sensor to the scene based on high accuracy dating measurements (the position of the sensor by the GPS datings and the distance measurement at the scene by the measurement of flight time).
  • the LdV coming from a point P does not cross the LdV coming from a point P j because of measurement errors.
  • the intersection point Gij the middle of the segment which minimizes the distance between the LdV from P, and the LdV from P j .
  • This configuration has the advantage of operating without component of inertial measurements which on the one hand reduces the material cost for the system and on the other hand reduces the constraints related to the characteristics of these measurements such as drift, integration constant, integration noise...
  • a range finder (alone or with inertial means) assumes beforehand a harmonization of its axis with that of the image.
  • the proposed procedure makes it possible to estimate the alignment of the laser axis with the image axis.
  • the proposed scope can be extended by considering that distance measurements, which are deduced from a measurement of propagation time, can be provided by other instruments than a range finder such as radar or sonar.
  • the measurements used in the process according to the invention can be either passive, active or both.
  • the angle measurements are for example provided by inertial means such as an inertial unit, or a magnetic compass or from quasi-fixed references such as space bitter (stars, planets, satellites). : these are passive measures. It is recalled that the proposed principle is based on the autonomy of the system vis-à-vis external data; we consider as follows:
  • the optronic sensor has a star viewer function including the detection capability of the body centers (star camera function in English) and their identification (star tracker function in English).
  • a star viewer function including the detection capability of the body centers (star camera function in English) and their identification (star tracker function in English).
  • ARFM for the instrument calibration of a terrestrial sensor with in particular: i. the angular bias corresponding to the lack of knowledge of the assembly and declination used by a magnetic compass and the distance bias of the range finder, ii. scale factors on angle and distance measurement.
  • Application (2) ALRFM for the calibration of an airborne direction with the calculation of the angular direction bias and the distance measurement of the range finder.
  • Application (4) calibration and georeferencing of images by aero-laeration.
  • thermomechanical taking into account the variability of the parameters estimated according to the operating conditions (thermomechanical).
  • the intrinsic performance of the measurement is moderate (the precision is of the order of 0.5 °) - Axis alignment accuracy of the DMC and the image is limited to maintain a consistent manufacturing complexity of the volume of the series and the cost of the equipment.
  • the orientation measurement is carried out with reference to the geomagnetic meridian which locally presents a deviation of orientation (declination) with respect to the geographical North.
  • This declination value can be obtained from map information or geomagnetic models (such as the IGRF for International Geomagnetic Reference Field or the WMM for World Magnetic Model). These models are based on the development of the geomagnetic field potential in series as a product of coefficients and basic functions using spherical harmonics. They allow the calculation of the amplitude as well as the direction of the local magnetic field from the tabulated coefficients in published reference versions. Every 5 years, the GIFI becomes the DGRF (with "D" for Definitive GRF) with data available for the period 1900-2010.
  • the orientation of the field must be extrapolated on the one hand with respect to the current measurement date and on the other hand may vary locally with a shorter spatial frequency than the corresponding one. to the resolution of models.
  • the difference between the value obtained by the model and that actually achieved at the measurement site essentially results in a systematic error or angular bias.
  • a position point (x 0 , yo) can be directly located from a position (x k , y k ), according to ideal measurements:
  • - is extremal (of value -2) when ⁇ ⁇ + ⁇ on the one hand and that on the other hand the distances to the points are large. This corresponds to targets in opposite directions at a great distance from the point.
  • the conditions under which the calibration is optimal are opposite to the conditions for which the location is ideal.
  • the calibration requires sensitivity to the error which for this must be large while the location requires not to be sensitive.
  • N 2 or 3 (N being the number of dimensions), two sets of measurements make it possible to write 2xN relations and by differences, N relations make it possible to determine the N bias on each type of measurement ( ⁇ , ⁇ ) in 2D, completed by ⁇ in 3D.
  • the correction values on the biased measures are then obtained by adding to the values of the biased measures, the opposite of the biases obtained.
  • the position of the point G (x, y) referred to is obtained from:
  • Application (2) location and calibration from angular measurements and airborne distance (ALRFM).
  • the coordinates of the ground point can be removed from the observation equations and one then places in the calibration situations only PRFM and ARFM.
  • the system error report indicates that it is relevant to establish a location of the object without using the angular measurements.
  • the bias and scale factor errors can be estimated by keeping the sensor pointed at the same object on along the trajectory.
  • the parameter vector is reduced to the last 2 components of the previous vector
  • the matrix ⁇ represents the covariance of the measurement noise; it is reduced to the product of the identity matrix by ⁇ ⁇ 2 when the measurements all have the same noise ⁇ ⁇ and the noises are independent of each other.
  • the application to particular trajectories demonstrates the ability of the method to simultaneously estimate the position of the object and the measurement defects.
  • the configurations for which the distance to the object does not remain constant are preferably chosen. Indeed, in the situation where the distance to the object varies, the error contribution related to the scale factor does not behave as a bias and it is then possible to distinguish the two physical origins of the defects.
  • this one represents the most general declination in the sense that it makes it possible to correct in 3D the georeferencing of the image by estimating the parameters of calibration by realizing:
  • the parameters to be estimated include contributions relating to the internal parameters of the sensor,
  • the parameters to be estimated include or not the simultaneous location of object of the scene.
  • This method can be extended to other fixed objects Gi, G 2 , in addition to G 0 .
  • These other fixed objects must of course be visible on the images or at least on some of them. They are preferably well distributed around G 0 so as to have a more favorable estimation configuration.
  • the method comprises an additional step of matching an image to another of these other objects, according to the internal characteristics of the images. These depend on the internal characteristics of the sensor which are supposed to be known; it's about :
  • the detector the resolution of the detector, the number of rows and columns of the photosensitive matrix, and for the optics: focal length, coordinates of the main image point and distortion.
  • the quantities respectively represent the residues on: the calibration parameters, the external shooting parameters, the internal (or intrinsic) parameters of the sensor, the distance in the center image, the possible coordinates of points of the ground corresponding to the primitives, the primitive.
  • the quantities ⁇ and ⁇ represent the covariances a priori on the parameters.
  • the criterion minimization method is based on a classical technique:
  • step N ° 1 the shooting parameters, ⁇ , 0m, i being assumed to be zero (no bias) then in a step N ° 2 by estimating 0 R1, 2 from the external parameters obtained in step 1.
  • the estimation process then resumes step ⁇ with the value 0 Rn -i, 2 of the calibration parameters to obtain a set of shooting parameters 0 E i n - Allowing estimation
  • the agility of the measuring instrument's LdV is used to point to an area of space that will produce the largest Fisher information for trajectory and measurement characteristics (cadence, geometry and accuracy ) fixed.
  • the area of the accessible scene is sampled to perform the calibration according to a spatial grid whose nodes carry Fisher's information computations.
  • the object is then chosen in the area corresponding to the node where the information is the largest. The decision to actually work on this area can then be conditioned on the number, distribution and contrast of the objects of interest that the sensor detects when it is pointing to that area.
  • AALRFM diag [ ⁇ 2 , oy 2 ⁇ 2 , ⁇ 2 , ⁇ 2 , ⁇ 2 ] in ARFM
  • APLRFM diag [ ⁇ 2 , oy 2 , ⁇ 2 , ⁇ 2 , ⁇ 2 ] in PRFM.
  • thermomechanical conditions it is possible to introduce the variability of the operating conditions into the modeling and estimation processes.
  • the modeling introduces a dependence of the parameters on the thermomechanical conditions noted.
  • the estimate of a 0 consists in solving a system identical to the previous one which happens to be independent of the thermal conditions.
  • the measurement of the temperature T allows the estimation of the coefficient a ⁇ , thermal drift of the parameter "a".
  • this method makes it possible to maintain a decametric accuracy on the location for the recognition and the designation of objectives on the ground in the presence of bias.
  • the proposed method can be implemented under the following conditions:
  • the supervisor of the airborne optronic system decides to calibrate the measurement system. He then decides on a suitable zone (CPDV) on which the point of attachment G 0 is sought.
  • the point G 0 can be chosen by the supervisor (as well as possibly the other points Gi, G 2 , ...),
  • a suitable area is defined on which the attachment point G 0 is automatically chosen by an image processing which looks for a contrast point on this area and possibly checks the presence of other points Gi, G 2 , in the neighborhood.
  • the measured defects are possibly compared to the history of the previous evaluations and a current correction is evaluated.
  • the correction is applied to the following measurements of the measuring instrument obtained for example outside this calibration method.
  • the method can locate a target by means of a magnetic compass and a rangefinder without having to estimate the local magnetic declination.
  • These positions are for example provided by a positioning system such as a GPS.
  • the image acquisition device does not necessarily record said images.
  • the correction makes it possible to evaluate the local declination and to use the information in order to locate other points of the scene Gi, G 2 , over a large area around which the calibration has taken place.
  • FIG. 2 shows an example of an optronic system equipped with means for calibrating a measuring instrument.
  • this image acquisition device does not necessarily record said images
  • This instrument is to be calibrated;
  • positioning means 20 capable of supplying the positions Pi, P 2 ,... Pi, Pj,... of the system,
  • a device 41 for rectifying and synchronizing the measurements with these positions The rectification consists in particular in applying the corrections estimated by the calibration process,
  • a calculation unit 40 capable of estimating the measurement defects which minimize the dispersion of at least two intersection points Gij between the LdV at the position Pi and the LdV at the position Pj, as a function of the said measurements and the positions Pi , Pj of the system and able to apply the estimated defects to the measurements.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de calibrage d'instruments de mesure d'un système optronique en mouvement, de positions P1, P2,..., Pi,..., ce système optronique comprenant : - un dispositif d'acquisition (10) d'images d'une scène comprenant un objet fixe G0 et, des moyens de poursuite (15) de l'objet fixe G0 au cours de l'acquisition de ces images, des moyens d'obtention des positions (20) P1, P2,... - au moins un instrument de mesure de la distance (25) et/ou un instrument de mesure d'angles d'orientation et/ou d'attitude (30) entre cet instrument de mesure et l'objet fixe G0, selon une ligne de visée LdV, II comprend les étapes suivantes : - acquisition à des instants t1, t2,... d'au moins deux images, chaque image étant acquise à partir de positions différentes P1, P2,... du système, l'objet fixe G0 étant visé dans chaque image, mais sa position étant inconnue, acquisition aux instants t'1, t'2,... de mesures de distance et/ou d'angle, synchronisation des mesures de distance et/ou d'angle avec les positions P1, P2,... établies à des instants t1, t2,..., estimation des défauts de mesure qui minimisent la dispersion d'au moins deux points d'intersection Gij entre la LdV à la position Pi et la LdV à la position Pj; en fonction desdites mesures et des positions connues Pi, Pj du système.

Description

PROCEDE DE CALIBRAGE D'UN INSTRUMENT DE MESURE D'UN SYSTEME
OPTRONIQUE
Le domaine de l'invention est celui du calibrage d'un système optronique en mouvement et en visualisation d'un point fixe au bénéfice de sa localisation ou de son pointage. Ce système est équipé d'instruments de mesure permettant d'effectuer des mesures d'angles et/ou de distances du point fixe visé. L'invention concerne plus précisément le calibrage de ces instruments de mesure installés dans le système.
On peut citer à titre d'exemples de ces instruments de mesure, des systèmes pour la navigation de la plate-forme, des capteurs pour la détection et l'analyse de scène et, pour certains, des armes pour dissuader ou agresser des cibles dans les missions de sécurité ou de combat.
- Le système de navigation utilise traditionnellement pour son positionnement, une centrale inertielle comprenant des gyromètres, des accéléromètres et des traitements pour le calcul d'attitude de la plate-forme ; un GPS ainsi qu'un baromètre contribuent aussi à son positionnement et leurs mesures sont fusionnées aux mesures inertielles, pour une meilleure qualité de la solution générale de navigation.
- Les systèmes de détection et d'analyse de scène comprennent des capteurs optroniques avec des détecteurs fonctionnant du domaine visible à l'infrarouge pour acquérir une vidéo de la scène, un télémètre pour mesurer la distance à celle-ci. La ligne de visée (ou LdV) du capteur dispose d'une capacité à s'orienter agilement afin d'acquérir rapidement une zone de la scène correspondant au champ de vision instantané du capteur. Des unités de mesures inertielles ou d'autres dispositifs opto-mécaniques sont encore utilisés pour mesurer l'attitude de la LdV par rapport à une référence du capteur ou de manière absolue.
- Les systèmes d'armes comprennent des moyens inertiels et de positionnement pour le guidage des munitions vers leurs objectifs. Ils peuvent par ailleurs utiliser des auto-directeurs à imagerie optronique ou radar pour corriger leur guidage terminal sur les cibles désignées.
Dans les procédures classiques de calibrage, on dit que les instruments ou équipements doivent être alignés sur le système de référence de la plate-forme et que leurs positionnements respectifs doivent être "harmonisés".
Ce système optronique est généralement installé sur une plate- forme à bord d'un aéronef ou plus généralement à bord d'un véhicule dont la position connue est par exemple fournie par une centrale inertielle.
La détermination des défauts de montage du système sur la plateforme et des défauts des mesures effectuées par l'instrument est une étape préalable à toute procédure de localisation ou de pointage, en particulier lorsqu'elle fait intervenir des instruments de mesures répartis sur le système.
Les défauts de montage se traduisent par un non alignement des axes de référence du repère de la plate-forme sur ceux du repère de l'instrument de mesure. L'opération de mesure des angles qualifiant la transformation entre repères est une procédure désignée sous le vocable d'harmonisation, lorsqu'il s'agit d'orienter les instruments de mesures entre- eux ; ou d'alignement lorsqu'il s'agit de les orienter (ou positionner) relativement au repère de référence du système (boresight alignement).
Outre les erreurs d'orientation liée aux axes de référence des mesures d'angles (en particulier matérialisés par les axes de gyromètres dans les système inertiels), le montage d'un capteur sur une plate-forme de type aéroportée introduit des écarts d'orientation entre les axes de référence de la plate-forme et du capteur pouvant atteindre plusieurs degrés. La valeur courante des erreurs sur la connaissance des angles de montage est de l'ordre de 10 mrad .
Ces erreurs trouvent leur origine dans la réalisation de différents composants comme le quartz qui cadence les horloges, les accéléromètres qui mesurent les accélérations et matérialisent les directions d'axes autour desquels des gyromètres mesurent des vitesses angulaires.
L'attitude du système est typiquement entachée d'une erreur d'environ 1 mrad lorsque l'information provient d'une centrale inertielle de classe aéronautique.
Les instruments de mesures d'angles et/ou de distances introduisent couramment un biais de quelques milli-radians.
En cours de fonctionnement, la plate-forme et les axes de référence peuvent subir des déformations mécaniques et thermiques en particulier provoquées respectivement par une forte accélération ou décélération et par la variation de la hauteur de vol. Ces contraintes thermomécaniques induisent sur les mesures un biais pouvant atteindre quelques mrad.
Parmi les défauts de mesure, on peut citer notamment les bruits, les biais, les facteurs d'échelle et les dérives. Le facteur d'échelle se traduit par un écart de la grandeur mesurée par rapport à la valeur vraie dont la valeur est proportionnelle à la valeur de la grandeur. Son ordre de grandeur est de quelques 10 partie par million (ppm en abrégé). La dérive se traduit par un écart à la grandeur qui grandit au cours du temps depuis une date à laquelle celle-ci a été corrigée. On parle de dérive lente si l'accroissement est faible en regard de la valeur. Lorsque la plage temporelle des mesures est assez faible pour que l'écart de dérive ne soit pas dimensionnant, celle-ci peut être traitée comme un biais additionnel sur l'intervalle de temps considéré.
Pour les mesures d'angles les valeurs spécifiques de montage peuvent être de l'ordre d'une dizaine de degrés alors que le cumul des défauts conduit à des erreurs résiduelles d'environ 10 mrad. Les translations entre les repères de la plate-forme traduisent des écarts pouvant atteindre quelques mètres avec des erreurs résiduelles qui sont maîtrisées pour atteindre quelques centimètres.
Les paramètres que nous proposons d'estimer concernent aussi bien le défaut d'une mesure d'un appareil relevant des informations en ligne que le montage de l'équipement sur la plate-forme.
Il existe plusieurs méthodes de calibrage avec des variations inhérentes au domaine d'application.
Dans le domaine de la métrologie, la mesure est nécessaire à toute connaissance, à toute prise de décision et à toute action. La caractérisation des défauts des instruments de mesure s'inscrit comme une étape systématique dans la production des instruments ou capteurs élémentaires intégrés au sein des systèmes ou capteurs complexes. Cette caractérisation se traduit de manière classique par l'estimation de propriétés (biais, facteur d'échelle, ...) des grandeurs physiques (angle, distance, ...), caractérisées par leurs valeurs statistiques (moyenne, écart-type, ...) sur le domaine d'utilisation du système.
Les opérations de métrologie sont généralement effectuées au sol sur des bancs d'essai et de manière très précise mais dans des conditions particulières de mesure qui ne peuvent pas toujours refléter les conditions réelles d'utilisation. Ces procédures de calibrage sont chères, laborieuses, difficiles à réaliser par manque de place au sein des équipements ; de plus la réalisation au sol des conditions d'acquisition (distance, température, contrainte mécanique) et de modélisation reste limitée par la connaissance des phénomènes.
Pour déterminer l'alignement au sol, les opérations de métrologie sont longues et consommatrices de moyens spécifiques. Elles doivent de plus être potentiellement répétées ce qui les rend très coûteuses et inadaptées à une utilisation rapide et pratique des instruments sur des plates-formes mobiles.
De plus, les instruments de mesures sont assujettis à des phénomènes de dérive temporelle et des vieillissements susceptibles de modifier leur biais. Ceci suppose une stratégie de maintien en condition opérationnelle (MCO), avec des plannings de reprise de test et de calibrage.
Dans le domaine de l'industrie, et pour les applications robotiques, des moyens sont couramment mis en œuvre pour réaliser le calibrage de pose (position et orientation) de pièces ou parties mécaniques relatives à une structure fixe ou mobile comme décrit dans l'article de P. Renaud et co- auteurs Optimal pose sélection for vision-based kinematic calibration of parallel mechanisms", Proceedings of the 2003 IEE/RSJ. Conférence on Intelligent Robots and Systems. Las Vegas. Nevada. Oct. 2003.
Ces opérations consistent traditionnellement à estimer la position et l'orientation de la pièce ou de la partie mécanique relativement à une structure fixe ou mobile sur la base d'un modèle.
L'information mesurée est de grande précision mais souvent relative. Pour notre application, une méthode permettant d'évaluer directement l'orientation globale est suffisante et on recherche une information absolue.
De plus le calibrage des systèmes qui nous concernent présentent souvent un nombre important de joints ou de cardans (voir par exemple les figures 10, 15, 16, 17 dans "Air Reconnaissance Primary Imagery Data Standard" Edition 4 du 14/03/2006.
Dans le milieu médical, en relation avec la robotique et la réalité augmentée, des moyens se développent pour l'assistance à des opérations délicates nécessitant une exactitude de positionnement dans les interventions chirurgicales comme décrit par exemple dans T. Sielhorst T et co-auteurs "Advanced Médical Displays- A Literature Review of Augmented Reality", J. of Display technology, Vol 4 N °4 dec. 2008
Les solutions apportées pour le domaine médical ne sont pas reproductibles en milieu dynamique et non coopérant. Dans ces applications, la connaissance du milieu permet par exemple de prédisposer des marqueurs ou d'apprendre certaines caractéristiques de l'environnement pour positionner et orienter les équipements utilisés. De plus l'information produite est souvent relative alors que pour l'application de localisation ou de pointage, on recherche une information absolue.
En médecine, comme pour les autres applications évoquées, les processus ne sont pas autonomes car ils sont basés sur des données de référence (considérées comme exactes) sur l'environnement, ou sur des échanges d'informations sous forme de coopération entre systèmes répartis ou sur une intervention spécifique de l'utilisateur.
Pour positionner un objet par triangulation en présence de biais, certains auteurs comme Mangel dans "Three bearing method for passive triangulation in Systems with unknown deterministic biases", IEEE TAES Vol 7 N °6 Nov. 1981 , ont privilégié des méthodes susceptibles de fournir une solution qui ne soit pas trop perturbée par leur présence. Mais ces approches n'apportent pas une connaissance plus fine du système de façon à mieux l'exploiter dans des conditions nouvelles.
Dans le domaine du positionnement et de la navigation, des travaux assez récents cherchent à corriger les défauts de mesure par utilisation de redondances physiques (duplication des instruments de mesure) ou logicielle. Ces approches concernent essentiellement les systèmes de positionnement GPS et d'orientation (INS), telles que décrites par Pittelkau dans "Calibration and Attitude Détermination with Redundant Inertial Measurement Units", J. of Guidance Control and Dynamics. Vol. 28, No. 4, July-August 2005.
Mais l'utilisation de redondances physiques présente des coûts récurrents et nécessite de reprendre les architectures existantes. Des problèmes d'encombrement et de place disponible au sein des équipements sont aussi à prendre en compte. Enfin elles ne permettent pas de mesurer les alignements sur l'ensemble des cardans utiles pour le système.
Dans le domaine militaire, la fusion de données entraîne des besoins spécifiques et en particulier avec le besoin d'association de données diverses :
- Pour le pistage multi-capteurs, des travaux académiques se sont intéressés au calage d'antennes de radar de veille sur le Nord Géographique afin d'améliorer le pistage d'aéronefs par plusieurs radars à l'échelle d'un pays voire d'un continent. Dans ce cadre, on peut citer les travaux réalisés par :
o Li et co-auteurs "A real-time bias registration algorithm for multiradar Systems", 7th International Conférence on Signal Processing (IEEE) 2004 , ou encore,
o Dong et co-auteurs "A generalized least squares registration algorithm with Earth-centered Earth-fixed (ECEF) coordinate System", 3d International Conférence on Computational Electromagnetics and Its Applications Proceedings 2004,
- Pour la localisation en présence de biais angulaire, l'opération de calibrage (ou de simbleautage) consiste à réaliser un réglage qui permet d'aligner la Ligne de Visée (ou "LdV") sur l'axe de visée du système optronique installé sur une plate-forme.
- Pour l'échange d'informations entre capteurs répartis, la nécessité d'interopérabilité favorise le développement de normalisation, dans les domaines du positionnement et de la fusion entre sources hétérogènes. Le STANAG 5516 acronyme de l'expression anglo- saxonne « STANdard AGreement », réserve des champs spécifiques (désignés par PPLI pour Précise Participant Location and Identification) afin de permettre l'échange des positions connues entre les participants du réseau pour le calibrage coopératif.
Pour les applications utilisant des instruments de mesure coopérants, la fusion de données offre des avantages en termes d'autonomie et d'indépendance à l'environnement. Elles posent en revanche des contraintes concernant le nombre et la répartition des instruments de mesure et nécessitent des moyens de communication et d'échange d'informations vers ces instruments, ainsi qu'une identification d'objets communs sur lesquels portent les informations à rapprocher. Cette situation ne correspond pas à l'utilisation souhaitée.
Les instruments de mesure aéroportés évoluent dans des conditions thermomécaniques assez différentes de ce qui peut généralement être reproduit au sol dans des conditions réalistes avec toute la diversité rencontrée dans leur domaine de fonctionnement.
Quel que soit le domaine d'application, ces instruments de localisation nécessitent un contrôle systématique et périodique afin de gérer leur dérive temporelle et leur vieillissement.
Les procédures de calibrage sont chères, laborieuses, difficiles à réaliser par manque de place au sein des équipements ; il est également difficile de réaliser au sol les conditions d'acquisition (distance, température, contrainte mécanique) et d'une modélisation réaliste qui reste limitée par la connaissance des phénomènes.
Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients. Plus précisément, il s'agit de réduire le coût du calibrage et de sa maintenance, tout en améliorant sa précision et sa stabilité pour des applications où l'on cherche à améliorer de manière autonome et permanente :
- la localisation d'objets non-coopérants à partir de mesures passives et/ou de mesures de distance
- le pointage du capteur à partir de mesures d'angles. L'invention a pour objet un procédé de calibrage d'instruments de mesure d'un système optronique en mouvement, de positions Ρ-ι, P2, ..., Pi, ce système optronique comprenant :
un dispositif d'acquisition d'images d'une scène comprenant un objet fixe G0 et,
des moyens de poursuite de l'objet fixe G0 au cours de l'acquisition de ces images,
des moyens d'obtention des positions P-i, P2, ... au moins un instrument de mesure de la distance et/ou un instrument de mesure d'angles d'orientation et/ou d'attitude entre cet instrument de mesure et l'objet fixe GO , selon une Ligne de Visée (LdV),
Il est principalement caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
acquisition à des instants t-ι , t2, ... d'au moins deux images, chaque image étant acquise à partir de positions différentes P-i, P2, ... du système, l'objet fixe G0 étant visé dans chaque image, mais sa position étant inconnue,
acquisition aux instants t-ι , t2, ... de mesures de distance et/ou d'angle,
synchronisation des mesures de distance et/ou d'angle avec les positions Pi , P2, ... établies à des instants ΐΊ , t'2, estimation des défauts de mesure qui minimisent la dispersion d'au moins deux points d'intersection Gij entre la LdV à la position P, et la LdV à la position Pj, en fonction desdites mesures et des positions connues Pj, Pj du système. Ce procédé permet de réaliser un calibrage autonome (sans recourir à une information ou action externe), in-situ (dans les conditions opérationnelles de fonctionnement), ou dans le milieu des opérations, en évaluant les valeurs obtenues dans les conditions d'utilisation, ce qui représente un avantage pour le besoin de calibrage de systèmes optroniques aéroportés.
En regard des applications de métrologie au sol ou de calibrage coopératif en réseau, l'approche proposée a pour originalité d'opérer à partir d'un instrument de mesure unique, de manière automatique et autonome, sans requérir d'intervention humaine ni de connaissances exactes sur le contexte d'acquisition.
Selon une caractéristique de l'invention, le seul instrument de mesure calibré est un instrument de mesure d'angles d'orientation et/ou d'attitude ; les mesures sont alors acquises à partir d'au moins trois positions P1 , P2, P3 différentes.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le seul instrument de mesure calibré est un télémètre, et les mesures sont acquises à partir d'au moins deux positions différentes.
Lorsqu'au moins un autre objet fixe Gi est visible sur au moins deux images, il comprend éventuellement en outre une étape de mise en correspondance entre chaque image des objets fixes G0, G-i , l'étape de calcul des défauts de mesure étant en outre réalisée en fonction de caractéristiques ou paramètres prédéterminés internes au capteur (comme la taille et les dimensions des éléments de la matrice photo-sensible, la distance focale, le Point Principal Image, la distorsion optique). Notons qu'avec suffisamment de mesures disponibles, ces grandeurs peuvent aussi être estimées en linéarisant les équations de prise de vue du capteur autour des valeurs approchées. Par ailleurs certains de ces paramètres, comme la focale et la distorsion, fluctuent plus particulièrement avec la température.
De préférence, il comprend une étape de calcul de la position géographique de G0 et éventuellement des autres objets fixes, à partir des mesures calibrées.
Selon une variante, il comprend une étape de pointage de l'objet fixe G0.
Selon une caractéristique de l'invention, il comprend une étape d'optimisation des conditions de mesure basée sur la détermination d'une trajectoire optimale du capteur pour une position connue de l'objet G0, ou sur la détermination d'une zone à privilégier pour la recherche de l'objet G0.
Selon une autre caractéristique de l'invention, il comprend une étape consistant à appliquer les défauts calculés aux mesures.
Ce procédé présente de nombreux avantages puisqu'il améliore: - les performances de géo-référencement direct de l'image ce qui permet une meilleure localisation de tous ses points,
- le pointage absolu de la LdV ce qui permet en particulier de placer un objet de coordonnées connues au plus proche du centre d'une image et par là même réduire les délais pour son acquisition et son analyse.
En outre :
- il est autonome, ne nécessitant ni intervention ou surveillance de l'opérateur, ni données de référence sur l'environnement,
- il fonctionne dans un mode courant d'utilisation des instruments de mesure, - il ne requiert pas de trajectoire complexe de la plate-forme pour disposer de performances exploitables,
- il relâche significativement les exigences sur la précision de pointage de la LdV qui doivent être allouées lors de la spécification du système,
- il allège le besoin métrologique visant la qualification du simbleautage au sol et évite ainsi des procédures au sol difficiles car longues et devant être répétées, et coûteuses.
L'invention a aussi pour objet un système optronique apte à être déplacé, qui comprend :
- un dispositif d'acquisition d'images d'une scène comprenant un objet fixe G0,
des moyens de poursuite de l'objet fixe G0 au cours de l'acquisition de ces images,
des moyens d'obtention des positions P-i, P2, ...
- au moins un instrument de mesure de la distance et/ou un instrument de mesure d'angles d'orientation et/ou d'attitude entre cet instrument de mesure et l'objet fixe G0, selon une ligne de visée.
Il est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes.
Les procédures de calibrage et d'alignement correspondent au vocable anglo-saxon de « registration » dans certains domaines. Dans le monde du traitement des images, on parle couramment de "registration d'images", qui correspond à l'action permettant de superposer les contenus de plusieurs images par exemple. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 illustre schématiquement la dispersion de positions erronées obtenues à partir de quatre positions différentes,
la figure 2 représente schématiquement un exemple de système optronique équipé de moyens de calibrage d'un instrument de mesure,
la figure 3 représente schématiquement les axes du repère du système et ceux du repère de l'instrument de mesure,
la figure 4 représente schématiquement une configuration simple de mesures pour un processus de calibrage (A(L)RFM ) de défaut de mesure angle et distance de nature biais et facteur d'échelle,
la figure 5 représente un schéma des mesures relevées pour alimenter le procédé selon l'invention,
la figure 6 schématise les transformations pour passer d'un repère à l'autre,
les figures 7 présentent un schéma des conditions d'acquisition permettant la localisation et le calibrage passifs simultanés en utilisant le mouvement et en procédant soit uniquement avec des mesures passives (fig 7a), soit en ajoutant des mesures de distances ou actives (fig 7b).
D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. Le système optronique d'intérêt comprend :
une plate-forme permettant de réaliser le déplacement du système, la mesure de son positionnement et le montage du capteur optronique,
un capteur optronique constituant l'instrument permettant d'imager et viser un point fixe du sol G0 sur lequel sont réalisées des mesures d'angles et/ou de distances.
Dans la suite on prendra comme exemple un système installé à bord d'un aéronef, mais il pourrait tout aussi bien être installé dans un robot ou une plate-forme terrestre voire être directement porté par un utilisateur. Le terme "plate-forme" est donc utilisé dans sa forme la plus générique. Le procédé selon l'invention repose sur :
le déplacement du système optronique au cours du temps ; les moyens pour acquérir un point d'intérêt (ou objet) fixe G0 ; Les moyens d'acquisition d'un point fixe couvrent la détermination d'une zone adéquate de la scène, le choix d'un objet pertinent et sa poursuite temporelle. Cette poursuite peut être manuelle ou automatique. La capacité de poursuite automatique de l'objet consiste à entretenir son maintien au centre de l'image lors du déplacement du système au cours du temps (c'est-à-dire au fil de la séquence d'images acquise par le capteur). Ceci est réalisé en mesurant son déplacement apparent (écartométrie) entre une image de référence et l'image courante. Pour que cette mesure de déplacement soit possible, il est nécessaire que l'objet ait été auparavant "accroché", c'est-à-dire détecté et localisé dans l'image. L'accrochage permet l'initialisation automatique de la poursuite.
des moyens d'acquisition d'images successives d'une zone comportant ce point fixe G0,
la mesure d'angles et/ou de distances entre l'instrument de mesure et l'objet visé G0 ;
la connaissance des coordonnées absolues des positions Pi du système aux instants de mesure ;
un traitement des mesures successives pour permettre d'estimer les meilleures valeurs de défaut rendant compte de l'immobilité du point visé GO .
une faible variation des paramètres à calibrer à l'échelle de la durée de recueil des mesures utiles à leur estimation, des moyens de mesure des grandeurs thermodynamiques sur les composants de mesure les plus sensibles (température par exemple) afin de permettre une analyse temporelle du comportement selon différentes conditions de fonctionnement et prévoir lors de l'utilisation les valeurs a priori des paramètres à estimer d'après les valeurs apprises des procédures précédentes de calibrage.
Lorsque le système est considéré en "mode poursuite" sur un objet de la scène ceci signifie que sa position (ou ses coordonnées pixel) dans l'image est maintenue constante au cours des acquisitions. Dans le cas le plus fréquent, le mode poursuite permet de maintenir lors du déplacement l'objet G0 au centre des images de la séquence constituant la vidéo optronique. Le cas moins fréquent d'une poursuite sur l'objet fixe imagée hors du centre image permet aussi de réaliser le processus.
Les mesures qualifient les paramètres de prise de vue du dispositif d'acquisition des images.
La méthode proposée soumet les positions G obtenues par l'ensemble des mesures acquises au cours du temps, à la contrainte de positionner un point fixe G0 pour les différentes positions P-i, P2, du système optronique.
Les défauts de montage ou/et de mesure des instruments produisent de fait des solutions de position pour l'objet fixe G0, différentes entre elles ainsi que de la réalité. A chaque position P, du système sont associées les mesures prises en ces positions : ceci est désigné jeu de mesure. Les N jeux de mesures (position du système, angle et/ou distance) fournissent N positions qui du fait des erreurs de mesures ne coïncident pas en un point unique mais présentent une dispersion. La dispersion entre les mesures constitue une signature des défauts pour des conditions données de prise de vue (trajectoire du système, angles considérés, condition thermodynamique de fonctionnement). Ceci est illustré figure 1 avec des mesures d'angles autour d'une seule direction ; sont représentées sur cette figure quatre positions connues Ρ-ι, P2, P3, P4 de la plate-forme, ainsi que la position réelle G0 de l'objet fixe. Le défaut de mesure introduit une erreur ΔΘ sur la LdV de l'instrument de mesure, Θ étant l'angle de rotation dans le plan comme illustré figure 3. Si les LdV étaient parfaitement alignées, elles se croiseraient toutes en G0. En fait, elles se croisent en plusieurs points dispersés. La LdV issue de Pi se croise en G-|2 avec la LdV issue de P2, en G-13 avec la LdV issue de P3, en G-|4 avec la LdV issue de P4. De même, la LdV issue de P2 se croise en G23 avec la LdV issue de P3, en G24 avec la LdV issue de P4. Enfin, la LdV issue de P3 se croise en G34 avec la LdV issue de P4. A partir de N mesures (un jeu de mesures par position P) on peut ainsi construire N(N-1 )/2 positions dont la répartition signe les défauts de mesure ΔΘ comme illustré dans l'exemple ci-dessus pour une dimension. En généralisant à trois dimensions, on considère en plus des deux angles caractérisant la direction de pointage de la LdV l'angle de rotation de l'image autour de celle-ci. La mécanisation (assemblage) des différents capteurs sur la plate-forme conduit à considérer différents repères, dont les axes et origines sont répartis au sein du système, comme notamment :
l'antenne du récepteur du GPS,
la centrale de navigation inertielle (CNI) de la plate-forme, le point principal image (PPI) ou centre optique de l'imageur.
Le passage de chacun de ces repères vers les autres est décrit par une transformation de type (Translation et Rotation).
La modélisation physique des différents cardans du système est conduite d'après l'analyse des effets des contributions induites par les erreurs de translations (entres-axes) et de rotation (alignements d'axes) ainsi que de l'ordre des erreurs résiduelles que l'on cherche à déterminer. Cette analyse conditionne la finesse de la modélisation à retenir pour un équipement et un besoin donné. L'alimentation du processus d'estimation, par l'extraction de primitives de plusieurs vues correspondant à des détails d'éléments fixes dans la scène, permet de disposer d'un nombre important de mesures. Cette importante quantité permet d'envisager l'estimation d'un nombre élevé d'inconnues de calibrage dès lors que la qualité d'appariement, la répartition et la dilution (ou géométrie des CPDV) des primitives sont suffisantes et que les différentes transformations à caractériser sont bien séparables. La figure 6 illustre une telle situation où la rotation "R" et la translation "T" s'expriment en fonction des transformations élémentaires (Rk, Tk) entre les repères successifs comme :
Figure imgf000016_0001
Lorsque les transformations sont connues au premier ordre on recherche des solutions linéaires à ce système sous la forme :
Figure imgf000017_0001
où la matrice de rotation élémentaire Re et la translation élémentaire Ττ sont respectivement notées :
Figure imgf000017_0002
Pour estimer les éléments d'une rotation élémentaire placés à un certain rang dans (équation 1 ), on écrit les termes situés à leur "droite" de la rotation dans l'équation sous la forme d'un vecteur U=(u1 , u2, u3)T. Cette écriture permet d'obtenir simplement les éléments recherchés de la rotation en transformant le produit Re.U en :
Figure imgf000017_0003
La connaissance des transformations peut trouver son origine soit d'après des spécifications, évaluations ou calibrage sol par exemple soit à partir d'évaluations précédentes réalisées avec différentes conditions de fonctionnement du système.
Le type d'architecture matérielle de l'instrument utilisée pour la mesure d'angles d'attitude, conditionne le nombre de grandeurs à estimer. Celui-ci devient vite important avec l'augmentation du nombre de cardans mécaniques à composer pour disposer de l'attitude absolue de la ligne de visée ou "LdV". Le calcul d'attitude utilise 3K angles pour un montage du système faisant intervenir des mesures d'attitude relatives entre K cardans mécaniques.
Ainsi on ne cherchera pas à estimer les contributions d'orientation susceptibles d'intervenir au niveau de chaque cardan mécanique car ils peuvent rapidement être en nombre élevé. L'enchaînement de 2 rotations pures entre 2 cardans (ou repères), par exemple, est strictement équivalent à une rotation unique et l'estimation de la rotation globale ne permet pas de séparer l'information pour en attribuer une au niveau des contributions de chaque cardan. Dans le cas d'un montage ou d'une configuration où le biais de mesure d'attitude peut être considéré comme s'ajoutant directement à celui du montage, une méthode permettant d'évaluer directement l'orientation globale peut être suffisante pour caractériser globalement les défauts de biais (montage + mesures). L'application de la correction globale sur l'un des cardans remplira l'objectif recherché au profit des fonctions de localisation ou de pointage.
Le calcul d'attitude peut être réduit typiquement à un minimum de 3 rotations élémentaires pour un instrument de mesure qui estime l'attitude absolue de sa LdV au moyen d'un dispositif AHRS acronyme de l'expression anglo-saxonne "Attitude Heading Référence System".
Pour la suite, nous considérons un système pour lequel l'enchaînement de ces transformations se résume à une transformation de rotation "R" et translation "T" qui de manière générale permet d'exprimer les coordonnées d'un point dans le repère final en fonction de ses coordonnées dans le repère initial comme :
Figure imgf000018_0001
La description du processus proposé adopte ainsi une modélisation des biais angulaires et de position par cette transformation à 6 paramètres, bien qu'il soit possible de rentrer dans le détail d'une mécanisation spécifique plus complexe pour une configuration donnée de système.
La modélisation de la fonction de prise de vue d'une image i du capteur optronique situé en (x,, y,, z,) permet d'écrire de manière générale la fonction de localisation attribuant des coordonnées de position (x, y, z) dans un repère géographique associé à la scène à un point k de coordonnées (pki,qki) dans un repère de l'image "i" sous la forme :
Figure imgf000018_0002
Figure imgf000019_0001
Outre les éléments (p0, qo, fo), les paramètres internes modélisent l'effet principal de la distorsion sous forme d'une déformation radiale des coordonnées pixel (p,q) parfaites en les transformant en (p',q') selon la forme suivante :
Figure imgf000019_0002
Dans cette expression, (pki,qki) sont les coordonnées images du point k dans l'image i, et (x, y, z) la coordonnée du point du sol correspondant. On note uT le transposée du vecteur u - et le vecteur Θ contient à la fois (voir figure 5) :
les paramètres internes de prise de vue (focale, position du Point Principal Image (PPI) sur le détecteur, distorsion optique),
les paramètres externes de prise de vue variant à chaque image "i" : position du P, du capteur de coordonnées (x,, y,, z,) et l'attitude (ψ,, θ,, φ,) de l'image dans le repère de scène, les paramètres de calibrage (τχ, x y, τ ζ, ε χ, e y, ε ζ) communs aux différentes images,
optionnellement la distance entre le PPI et le point de la scène correspondant au centre image si l'on dispose d'un télémètre harmonisé à l'axe optique,
le pixel de coordonnées (pc, qc) correspond au centre de la distorsion aussi appelé Point Principal de Symétrie (PPS). On note que les paramètres internes du système sont supposés ne pas varier d'une image à l'autre pendant la phase d'acquisition des mesures. Le processus de calibrage proposé dispose des caractéristiques suivantes :
une gestion automatique permet de sélectionner la zone visée afin de décider de la mise en œuvre effective du processus selon : i. l'analyse du contenu de la scène basée sur le contraste de la zone imagée et sur les caractéristiques des primitives extraites par le traitement d'image,
ii. le niveau de performance devant être obtenu afin d'assurer une performance requise de localisation ou de pointage en se basant sur une configuration donnée de trajectoire (exemple pour une plate-forme aéronautique naviguant sous plan de vol ou pour une plate-forme terrestre suivant un réseau de transport). Dans cette approche, on fait varier la zone d'observation sur une partition de la scène de l'ordre de la taille imagée et résume la performance du calibrage accessible en pointant le centre de cette zone. La performance est obtenue par la matrice d'information de Fisher (ou FIM pour acronyme de l'expression anglo-saxonne Fisher Information Matrix), dont l'expression est décrite un peu plus loin (équation 2), en échantillonnant la trajectoire à la cadence des mesures. La zone de meilleure performance accessible par le capteur est ensuite retenue pour les acquisitions,
iii. le besoin de proposer une trajectoire pour le système ou d'évaluer la meilleure performance atteignable au moyen d'une technique idéale d'estimation ; pour cela, on propose de déterminer une configuration géométrique optimale (selon une description ultérieure d'optimisation basée sur la FIM).
une séquence d'image,
un mode de poursuite avec accrochage sur un point fixe de la scène apparaissant comme contrasté dans l'image, la recherche de primitives contrastées dans l'image "i", par extraction de points d'intérêt de coordonnées (pki, qki pour k=1 ..Ki), de type coins, blob, ... ou par des descripteurs plus robustes basés sur les algorithmes tels que SIFT ou SURF (issus respectivement des expressions anglo-saxonnes Scale-invariant feature transform et Speeded Up Robust Features),
la Mise En Correspondance (MEC) des primitives précédentes en exploitant la géométrie épipolaire des images pour la MEC entres images prises de positions assez éloignées ou des techniques plus classiques de suivi dans la séquence d'image. Un appariement (ou une MEC), de primitives (notées k et I) entre les images (notées i et j) donne lieu à une liaison de primitives sous la forme d'un couple {(pki, qki) ; (p , q )}. Des liaisons sous forme de triplet ou quadruplet de primitives peuvent aussi être utilisées lorsqu'elles sont détectées entre 3 ou 4 images par exemple,
l'estimation des paramètres qui peuvent être constitués en toute ou partie :
i. des paramètres de prises de vue et de calibrage sur la séquence.
ii. des paramètres de prises de vue et de calibrage sur la séquence
iii. des coordonnées des points Gm du sol correspondant aux primitives appariées.
iv. des paramètres internes au capteur (tels que focale, et distorsion) dans la mesure où les observations sont suffisamment denses sur l'image et variées en terme de CPDV afin de permettre leur estimation dans des conditions correctes d'observabilité.
L'estimation des paramètres est conduite de façon à minimiser l'ensemble des résidus sur les coordonnées au sol des primitives de liaisons extraites de la séquence.
Dans la pratique, le nombre minimum de primitives à utiliser dépend du nombre de paramètres à estimer. Chaque couple de primitives donne au minimum 2 équations d'observation et davantage si l'objet associé à la primitive est visible sur plus de 2 images. Ces couples se présentent en général en nombre important du fait des détails contrastés contenus dans la scène et du recouvrement important entre les images. Le processus présente un avantage en matière d'autonomie du fait de sa capacité :
à fonctionner sans utiliser de point d'amer,
à accrocher et poursuivre automatiquement le point visé grâce à l'agilité de la LdV et son couplage au traitement d'écartométrie,
à extraire et à apparier de manière robuste les primitives entre les images,
à télémétrer automatiquement sur le point correspondant au centre image.
Le processus présente aussi un avantage de performance qui repose sur la qualité de l'estimation consistant :
à maîtriser la cohérence de l'information optronique par la cohérence locale du détecteur et de la géométrie des prises de vue,
à utiliser le télémètre, lorsque celui-ci peut être utilisé, pour relier la position du capteur à la scène sur la base de mesures de datations à fortes exactitudes (la position du capteur par les datations du GPS et la mesure de distance à la scène par la mesure de temps de vol).
Dans l'espace, la LdV issue d'un point P, ne croise pas la LdV issue d'un point Pj du fait des erreurs de mesure. Dans la suite, on désigne par le point d'intersection Gij, le milieu du segment qui minimise la distance entre la LdV issue de P, et la LdV issue de Pj.
Il faut au moins deux points G pour permettre une première détermination de ces défauts, soit au moins 3 jeux de deux mesures d'angles ou 2 jeux de 3 mesures dont une mesure de distance. Pour ces 2 configurations, on dispose donc d'au moins 6 mesures : {(θ-ι, φ-ι), (θ2, (Θ3, φ3)} en passif ou {(θ-ι , φ-ι, pi), (θ2, q>2, P2)} en actif, où p, représente la mesure de distance entre G0 et l'instrument de mesure (typiquement un télémètre) considéré à la position Pj. Bien sûr l'estimation de l'erreur est d'autant plus précise que l'on dispose de davantage de points G et que leur dispersion dans l'espace est plus importante. La présence du télémètre est facultative car le processus est capable de fonctionner à partir de mesures angulaires seules. Sa présence permet d'accroître l'information recueillie et d'améliorer la performance.
On peut à l'inverse n'avoir que des mesures de distance "p" obtenues avec un télémètre harmonisé angulairement avec l'axe de la LdV ; on mesure alors une erreur Δρ sur la mesure du télémètre.
Cette configuration présente l'avantage de fonctionner sans composant de mesures inertielles ce qui d'une part réduit le coût matériel pour le système et d'autre part réduit les contraintes liées aux caractéristiques de ces mesures telles que dérive, constante d'intégration, intégration de bruit...
L'utilisation d'un télémètre (seul ou avec des moyens inertiels) suppose au préalable une harmonisation de son axe avec celui de l'image. Dans le cas contraire, la procédure proposée permet d'estimer l'alignement de l'axe laser avec l'axe image. Le champ d'application proposé peut être étendu en considérant que les mesures de distance, qui sont déduites d'une mesure de temps de propagation, peuvent être fournies par d'autres instruments qu'un télémètre comme par exemple un radar ou un sonar.
Les mesures utilisées dans le procédé selon l'invention peuvent être soit passives, soit actives, soit les deux.
Les mesures d'angles sont par exemple fournies par des moyens inertiels tels qu'une centrale inertielle, ou un compas magnétique ou encore à partir de références quasi-fixes comme des amers de l'espace (étoiles, planètes, satellites) ... : ce sont des mesures passives. On rappelle que le principe proposé repose sur une autonomie du système vis-à-vis des données externes ; on considère ainsi :
- comme acceptable de pointer l'imageur pour acquérir des corps célestes (étoiles, planètes, satellites), et de les apparier avec une information embarquée capable de couvrir l'ensemble du théâtre d'utilisation du capteur. Le capteur optronique dispose dans ce cas d'une fonction viseur d'étoile incluant la capacité de détection des centres des corps (fonction star caméra en anglais) et leur identification (fonction star tracker en anglais). - comme contraignant d'embarquer une information de type ortho-image, issue d'une préparation de mission, qui présente une résolution de l'ordre de grandeur de celle du capteur avec une couverture spatiale correspondant à l'ensemble des zones sur lesquelles le capteur est susceptible d'opérer. Les contraintes portent ici sur le plan des données à disposer, des opérations d'appariement robuste à réaliser et du volume des informations et opérations à traiter.
Selon l'utilisation faite des équations d'observation, on peut :
soit estimer uniquement les défauts de mesure, et on parle de "Calibrage Par le Mouvement" ou "Registration From Motion" (RFM en anglais),
soit estimer simultanément les défauts de mesure et la position du point visé (en compensant les erreurs de mesure par les défauts estimés), et on parle de "calibrage et localisation par le mouvement ou "Localization and Registration From Motion" (LRFM en anglais).
Ces deux variantes peuvent être réalisées à partir de mesures Passives (PRFM/PLRFM), ou Actives (ARFM/ALRFM). Les variantes dites actives peuvent aussi utiliser des mesures passives. Ainsi, nous désignons par PLRFM (pour Passive Localization and Registration From Motion) une application utilisant des mesures passives pour estimer les paramètres de calibrage par le mouvement du capteur (voir fig 7b). Dans le cas où l'on ajoute une mesure distance, l'application est désignée par ALRFM (pour Active LRFM) (voir fig 7a).
On va à présent donner des exemples d'utilisations des équations d'observation pour différentes applications.
Application (1 ) : ARFM pour le calibrage d'instrument d'un capteur terrestre avec en particulier : i. le biais angulaire correspondant à la méconnaissance du montage et de la déclinaison utilisée par un compas magnétique et le biais de distance du télémètre, ii. les facteurs d'échelle sur la mesure d'angle et de distance.
Application (2) : ALRFM pour le calibrage d'une direction en aéroporté avec le calcul de biais sur la direction angulaire et la mesure distance du télémètre.
Application (3) : Localisation et calibrage à partir de mesures de positions et de distances seules.
Application (4) : calibrage et géoréférencement des images par aéro-latération.
Deux autres aspects de mise en œuvre du processus sont ensuite présentés en visant :
l'automatisation de son fonctionnement et l'optimisation des conditions de recueil des informations,
la prise en compte de la variabilité des paramètres estimés selon les conditions de fonctionnement (thermomécaniques).
Application (1 ) : calibrage d'instruments sur un capteur terrestre Pour des applications terrestres, les systèmes optroniques proposent généralement une localisation de l'objet de la scène visé et placé au centre de l'image. Ceci est réalisé à partir d'une caméra comportant un récepteur GPS pour déterminer la position du capteur, un télémètre pour mesurer la distance à l'objet et un moyen de mesure d'orientation de la LdV. La mesure d'orientation s'appuie traditionnellement sur un compas magnétique (DMC acronyme de l'expression anglo-saxonne "Digital Magnetic Compass"). L'obtention d'une position géographique de bonne performance constitue un réel défi car les DMC, qui sont utilisés en raison de leurs faibles coût et encombrement, présentent les inconvénients suivants :
- la performance intrinsèque de la mesure est modérée (la précision est de l'ordre de 0.5°) - l'exactitude d'alignement d'axe du DMC et de l'image est limitée pour maintenir une complexité de fabrication cohérente du volume des séries et du coût de l'équipement.
- La mesure d'orientation est réalisée en référence au méridien géomagnétique qui localement présente un écart d'orientation (déclinaison) en regard du Nord géographique. Cette valeur de déclinaison peut être obtenue d'après des informations de cartes géographiques ou des modèles géomagnétiques (tels que l'IGRF pour International Geomagnetic Référence Field ou le WMM pour World Magnetic Model). Ces modèles reposent sur le développement du potentiel du champ géomagnétique en série sous forme de produit de coefficients et de fonctions de bases utilisant les harmoniques sphériques. Ils permettent le calcul de l'amplitude ainsi que de la direction du champ magnétique local à partir des coefficients tabulés dans des versions de références publiées. Tous les 5 ans, l'IGRF devient ainsi le DGRF (avec "D" pour Définitive GRF) avec des données disponibles sur la période 1900-2010. Quel que soit le modèle de champ magnétique utilisé, l'orientation du champ doit être d'une part extrapolée en regard de la date courante de la mesure et d'autre part reste susceptible de varier localement avec une fréquence spatiale plus courte que celle correspondant à la résolution des modèles. L'écart entre la valeur obtenue par le modèle et celle effectivement réalisée au niveau du lieu de mesure se traduit essentiellement par une erreur systématique ou biais angulaire.
Pour ces différentes raisons, la procédure proposée présente un intérêt particulier puisqu'elle permet d'obtenir de manière simple et analytique les biais de mesure angulaire et de distance. Pour cela, elle utilise :
- un déplacement sur le terrain autour d'un objet fixe,
- au minimum 2 jeux de mesures sur l'objet, un jeu comportant la position du capteur, sa distance à l'objet, son azimut. En présence de défaut de type biais sur les mesures d'angle et de distance, un point de position (x0, yo) peut être directement localisé depuis une position (xk, yk), d'après des mesures idéales :
Figure imgf000027_0001
En présence de biais sur les mesures d'angle et distance :
Figure imgf000027_0004
le point situé à la position (vraie) de coordonnées (x0, yo) et obtenu à la position (xb, yb) donnée par :
Figure imgf000027_0005
soit, en négligeant les termes du deuxième ordre :
Figure imgf000027_0006
Sous la forme matricielle suivante, l'expression précédente montre que le déplacement correspond, au premier ordre, à une rotation du vecteur de biais de composante (Δρ, pk, Δθ)τ :
Figure imgf000027_0002
Cette expression traduit simplement la contribution des deux biais sur un positionnement (fig 4).
Une mesure unique ne permet évidemment pas de déterminer à la fois la position du point et les biais d'angle et de distance. En revanche deux mesures sur le même point suffisent, par différence, à déterminer les biais de la manière suivante :
Figure imgf000027_0003
Pour un couple de mesure (j, k), les expressions des biais peuvent être obtenues de manière analytique. Le déterminant du système vaut :
Figure imgf000028_0001
et les expressions des biais d'angle et distance sont obtenues, dans les conditions d'observabilité (δ non nul), d'après :
Figure imgf000028_0002
pour le biais de distance et pour le biais angulaire par :
Figure imgf000028_0003
Le système précédent dispose d'une solution physique lorsque son discriminant δ est différent de zéro ; on note par ailleurs que celui-ci :
- s'approche de zéro lorsque 0k )j. Autrement dit un faible déplacement du capteur entre deux mesures correspondant à une mauvaise configuration,
- est extrémal (de valeur -2) lorsque θ^+π d'une part et que d'autre part les distances aux points sont grandes. Ceci correspond à des visées de directions opposées à grande distance du point.
Ainsi, les conditions dans lesquelles le calibrage se trouve être optimal sont opposées aux conditions pour lesquelles la localisation est idéale. Pour être efficace, le calibrage nécessite une sensibilité à l'erreur qui pour cela doit être grande alors que la localisation demande de n'y être pas sensible.
Pour améliorer la performance en présence d'erreur de mesure angulaire il faut :
- d'une part éviter de localiser un point à partir de visées de directions opposées, et,
d'autre part, essayer de s'en rapprocher pour diminuer la sensibilité aux erreurs angulaires.
Cette dualité entre la localisation et le calibrage n'est pas limitée à la performance ni spécifique à cette application. En présence de défauts de type biais et facteur d'échelle, sur les mesures d'angles et de distance, on écrit les mesures comme :
Figure imgf000029_0001
Soit une expression de la localisation au premier ordre de la forme :
Figure imgf000029_0002
Au premier ordre, l'estimée s'écrit en fonction de la mesure :
Figure imgf000029_0003
Notons qu'en 3D, on se rapproche de cette situation 1 D dans les cas :
- de visée latérale à grande distance de l'objet et faible hauteur du sol,
- de visée verticale en avançant sur le point d'intérêt.
Cette approche se généralise simplement en 3D, avec des expressions analytiques plus longues à développer. En N=2 ou 3 (N étant le nombre de dimensions), deux jeux de mesures permettent d'écrire 2xN relations et par différences, N relations permettent de déterminer les N biais sur chaque type de mesure (Δρ, ΔΘ) en 2D, complétés par Δφ en 3D.
Les valeurs de correction sur les mesures biaisées sont ensuite obtenues en ajoutant aux valeurs des mesures biaisées, l'opposé des biais obtenus. Ainsi, la position du point G(x,y) visé s'obtient d'après :
Figure imgf000030_0001
En présence de biais seuls, on obtient par exemple pour les deux couples de configurations du tableau suivant, correspondant à un objet G0 situé en [0,0], avec la présence d'un biais de -1 ° sur la mesure DMC et de 5m sur la mesure de distance, une estimation de biais :
- sur la distance à mieux que 1 m près,
- sur l'azimut à 5 près.
Figure imgf000030_0003
Application (2) : localisation et calibrage à partir de mesures angulaires et distance en aéroporté (ALRFM).
Pour des applications aéro-terrestres, on considère un système comprenant un capteur en mouvement fonctionnant avec un mode de poursuite sur un objet de la scène. Dans cette situation, le système procure tout au long d'une trajectoire de nombreuses mesures composées de positions du capteur, de mesures angulaires de la LdV du capteur et de distances du capteur à l'objet de la scène.
Considérons une application ALRFM cherchant à estimer 2 biais angulaires (Δψ, ΔΘ) et un biais en distance (Δρ) avec un capteur en poursuite sur un point du sol de coordonnées (xO, yO, zO) inconnues et son pendant PRFM lorsque la mesure de distance p n'est pas disponible.
L'écriture des équations d'observations permet d'écrire lorsque l'on cherche simultanément les biais de mesure et la position du point accroché au sol (ALRFM) par exemple :
Figure imgf000030_0002
Si l'on souhaite uniquement réaliser le calibrage, les coordonnées du point au sol peuvent être supprimées des équations d'observation et l'on se place alors dans les situations de calibrage seul PRFM et ARFM.
Avec 2 jeux de mesures (xk, yk, zk, \|/k, 0k, pk), comme sur la (fig 7a) on dispose de 6 équations qui permettent de déterminer explicitement la position de l'objet et les biais de mesures. Avec des jeux de mesures en nombre plus important, le système précédent est simplement résolu, de par sa linéarité, par moindre carré ou par filtrage.
Application (3) : Localisation et calibrage à partir de positions et distances
Pour calibrer des défauts de mesure et disposer d'une information de biais de bonne exactitude, le bilan des erreurs système indique qu'il est pertinent d'établir une localisation de l'objet sans utiliser les mesures angulaires. Dans cette application, nous proposons une estimation simultanée :
- de la position de l'objet uniquement à partir des mesures de position du capteur et des mesures distance,
- des défauts de mesure distance (biais et facteur d'échelle).
Si souhaité, la connaissance de la position estimée de l'objet (à partir des mesures corrigées de leur défaut) permet de corriger a posteriori des défauts angulaires.
Dans le cas de plusieurs mesures distances pk, réalisées en des positions Pk(xk, yk, zk), les défauts de biais et de facteur d'échelle peuvent être estimés en maintenant le capteur pointé sur un même objet le long de la trajectoire.
Ainsi, pour un ensemble de mesures actives, présentant une erreur de biais bp, de facteur d'échelle sp et un bruit de mesure vp, on cherche à minimiser l'ensemble des quantités suivantes :
Figure imgf000031_0001
où (x,y,z) sont les coordonnées terrain du point suivi et (xn,yn,zn) sont les positions du capteur pour lesquelles on dispose d'une mesure de la distance "dn" séparant le capteur de l'objet. Les défauts du télémètre (sp,bp,Vp) caractérisent respectivement son facteur d'échelle, son biais et le bruit de mesure.
Dans l'approche LRFM on cherche à la fois la position de l'objet visé et les défauts de mesure. Le vecteur d'état constitué des paramètres à estimer s'écrit :
Figure imgf000032_0002
uT représentant le transposé du vecteur u.
Dans l'approche RFM, le vecteur des paramètres est réduit aux 2 dernières composantes du vecteur précédent,
Dans la pratique, on peut disposer d'une première position approchée de l'objet Θ0, en utilisant tout ou partie des mesures supposées sans défaut. On dispose alors du vecteur d'état suivant :
Figure imgf000032_0003
Le vecteur d'état du système avec les N mesures peut alors être obtenu par une approche itérative classique sous la forme : où :
Figure imgf000032_0004
avec pour N mesures de distance une matrice d'observation H et l'incrément sur le vecteur des composantes de calibrage δΘ :
Figure imgf000032_0001
La matrice∑ représente la covariance du bruit de mesure ; elle se réduit au produit de la matrice identité par σρ 2 lorsque les mesures ont toutes le même bruit σρ et que les bruits sont indépendants entres eux. L'application à des trajectoires particulières démontre la capacité de la méthode à estimer simultanément la position de l'objet et les défauts de mesure. Pour estimer correctement à la fois le biais et le facteur d'échelle sur la distance, on choisit de préférence les configurations pour lesquelles la distance à l'objet ne reste pas constante. En effet, dans la situation où la distance à l'objet varie, la contribution d'erreur liée au facteur d'échelle ne se comporte pas comme un biais et il est alors possible de distinguer les deux origines physiques des défauts.
Application (4) : calibrage et localisation par aéro-latération
Parmi les applications présentées, celle-ci représente la déclinaison la plus générale dans le sens où elle permet de corriger en 3D le géoréférencement de l'image en estimant les paramètres de calibrage en rendant compte :
- que les biais angulaires à estimer existent dans les trois directions de l'espace,
- que des mesures actives puissent être utilisées ou non,
- qu'un modèle numérique de terrain ou une hypothèse de sol est disponible sur la scène,
- que les paramètres à estimer comportent des contributions relatives aux paramètres internes du capteur,
- que les paramètres à estimer comprennent ou non la localisation simultanée d'objet de la scène. Ce procédé peut être étendu à d'autres objets fixes G-i , G2, en plus de G0. Ces autres objets fixes doivent bien sûr être visibles sur les images ou au moins sur certaines d'entre elles. Ils sont de préférence bien répartis autour de G0 de manière à disposer d'une configuration d'estimation plus favorable. Dans ce cas le procédé comprend une étape supplémentaire de mise en correspondance d'une image à l'autre de ces autres objets, en fonction des caractéristiques internes des images. Celles-ci dépendent des caractéristiques internes du capteur qui sont supposées connues ; il s'agit :
pour le détecteur : de la résolution du détecteur, du nombre de lignes et de colonnes de la matrice photosensible, et pour l'optique : de la focale, des coordonnées du point principal image et de la distorsion.
Exploiter plusieurs points fixes G-i, G2, ... sur plusieurs images permet d'estimer les défauts de mesure sur les trois degrés de liberté angulaire : Δψ, ΔΘ et Δφ. La poursuite et les éventuelles mesures de distances sont réalisées sur le point fixe G0 au centre des images, et au moins un autre point fixe du sol visible de la séquence d'images doit être suivi. Dans la pratique, plusieurs objets de la scène donnant lieu à des points d'intérêt sont suivi simultanément ce qui limite la perte d'observation lorsque des objets viennent à quitter le champ de vision instantané du capteur, améliore le résultat d'estimation et la probabilité de disposer de points mieux répartis sur l'ensemble de l'image.
Les paramètres de calibrage sont obtenus en minimisant l'expression suivante :
Figure imgf000034_0001
où les quantités représentent respectivement les résidus sur : les paramètres de calibrage, les paramètres externes de prise de vue, les paramètres internes (ou intrinsèques) du capteur, la distance en centre image, les éventuelles coordonnées de points du sol correspondant aux primitives, les primitives. En exprimant ceci avec plus de détails :
Figure imgf000034_0002
Figure imgf000035_0001
Les quantités∑ et σ représentent les covariances a priori sur les paramètres.
La méthode de minimisation du critère repose sur une technique classique :
- soit de type Newton en traitant les observations par lot, partant d'une solution initiale, utilisant les mesures relevées pour les paramètres de prise de vue, la connaissance approchée des paramètres internes du capteur (si ceux-ci doivent être estimés), et le fait que les valeurs des paramètres de calibrage sont faibles soit 0R = (0,0,0,0,0,0)T puis en procédant par itération après linéarisation pour minimiser le critère. Chaque étape fournit une estimation des différences d0R , d0Ei , ... qui permet de reprendre l'estimation depuis l'étape initiale
- soit de type Kalman en traitant les mesures à la volée c'est à dire en estimant le vecteur de paramètre au fur et à mesure de la production des mises en correspondance entre les images de la séquence
soit par relaxation en estimant dans une étape N °1 les paramètres de prise de vue, ΘΕ , 0m,i étant supposé nul (pas de biais) ; puis dans une étape N °2 en estimant 0R1 ,2 à partir des paramètres externes obtenus à l'étape 1 . Le processus d'estimation reprend ensuite l'étape Ν avec la valeur 0Rn-i,2 des paramètres de calibrage pour obtenir un jeux de paramètres de prise de vue 0Ein- Permettant d'estimer
0Rn,2 ; et ceci jusqu'à convergence.
Mise en œuvre du processus et optimisation de la performance
Pour améliorer la performance sur les estimations du calibrage et/ou de fournir un support à la gestion automatique de l'instrument de mesure et/ou à la fonction de navigation de la plate-forme, on propose :
1 ) partant d'une trajectoire donnée (sous plan de vol), rechercher la zone idéale sur laquelle pointer le capteur pour réaliser le calibrage,
2) partant de la position d'un objet sur lequel le capteur doit réaliser son calibrage, proposer une trajectoire permettant de se rapprocher de la performance idéale d'estimation. Dans le détail, on cherche à améliorer la performance sur les paramètres estimés lors du calibrage :
1 ) en adaptant la trajectoire sur un point visé. Pour cela, on calcule en partant d'une position initiale P0 et d'une vitesse V0, des positions futures P-i, P2, ... qui optimiseront la performance d'estimation. Pour réaliser cette optimisation, on utilise par exemple l'information de Fisher (FIM Fisher Information Matrix) qui quantifie l'information relative au jeux de mesure en vue de la meilleure estimation possible du biais. Elle présente comme intérêt son caractère d'additivité qui permet de cumuler l'information apportée par la trajectoire jusqu'au point Pn aux différentes possibilités qui peuvent s'envisager au temps Tn+ . Partant des informations de mesure et de la connaissance approximative de la position d'un objet sur lequel calibrer, l'optimisation de la trajectoire a pour but d'atteindre une meilleure performance de calibrage que celle qui serait obtenue en suivant par exemple un plan de vol préétabli. Partant d'une vitesse initiale, on propose de remettre en cause le vecteur vitesse prévu pour la plate-forme. Ceci est réalisé sur un pas de distance spatiale et de cap avec une amplitude compatible des contraintes cinématiques de la plate-forme (selon accélération admissible). Partant d'un nœud courant, un ensemble de nœuds est alors obtenu dont celui retenu correspond à la valeur maximale d'un critère de la FIM (basé sur la trace ou déterminant ou combinaison des valeurs propres). On propose de procéder à chaque pas en azimut puis en site.
2) en agissant sur le choix de l'objet G0 à viser. Pour une trajectoire prédéfinie (cas d'une plate-forme sous plan de vol) ; on utilise la capacité d'agilité de la LdV de l'instrument de mesure de manière à pointer sur une zone de l'espace qui produira une information de Fisher la plus grande pour les caractéristiques de trajectoire et de mesure (cadence, géométrie et précision) fixées. Pour cela, on échantillonne la zone de la scène accessible pour réaliser le calibrage selon une grille spatiale dont les nœuds portent les calculs d'information de Fisher. L'objet est ensuite choisit dans la zone correspondant au nœud où l'information est la plus grande. La décision de travailler effectivement sur cette zone peut ensuite être conditionnée au nombre, à la répartition et au contraste des objets d'intérêt que détecte le capteur lorsqu'il se trouve pointer sur cette zone.
Pour une information correspondant aux mesures de l'instant k, les matrices d'information de Fisher, évoquées ci-dessus, prennent les formes suivantes :
Figure imgf000037_0001
où les matrices J et Λ représentant les Jacobiennes et Covariances de mesures s'écrivent pour le calibrage ALRFM et PLRFM comme :
Figure imgf000038_0001
Les matrices de covariances Λ sont diagonales avec sur la diagonale les termes AALRFM = diag [σχ2, oy2 σζ2, σρ2, σψ2, σθ2] en ARFM et APLRFM = diag [σχ2, oy2, σζ2, σψ2, σθ2] en PRFM. Dans ces expressions :
Figure imgf000038_0002
Des évaluations réalisées sur plusieurs scénarios montrent que l'estimation des défauts de biais (plus précisément de leur module) est favorisée avec des trajectoires rectilignes allant vers le point G0 ou en passant sur un objet G0 situé au voisinage de l'aplomb de la trajectoire.
Mise en œuvre du processus avec une variabilité des paramètres estimés selon les conditions de fonctionnement
Dans les différentes applications proposées, il est possible d'introduire la variabilité des conditions de fonctionnement dans les processus de modélisation et d'estimation. Pour cela, la modélisation introduit une dépendance des paramètres aux conditions thermomécaniques relevées.
Ainsi lorsque l'étude du système montre que les valeurs du paramètre de calibrage à estimer sont sensibles aux conditions de fonctionnement, celui-ci est modélisé avec une dépendance aux conditions thermomécaniques. De manière simple on utilise une modélisation polynomiale qui présente pour avantage de conserver la linéarité du système à résoudre en regard des paramètres à estimer. Par exemple on écrit révolution du paramètre "a" avec la température en utilisant un développement, limité à l'ordre N, autour d'une température moyenne d'utilisation T0 sous la forme :
Figure imgf000039_0001
En limitant le développement au premier ordre, l'estimation de a0, consiste à résoudre un système identique au précédent qui se trouve être indépendant des conditions thermiques. Au premier ordre, la mesure de la température T permet l'estimation du coefficient a^ , dérive thermique du paramètre "a".
Sur les applications proposées, les performances obtenues sur des scénarios typiques sont :
- pour les angles de montage de l'instrument de mesure sur la plate-forme, de l'ordre de 1 %o de leur valeur ;
- pour les biais de mesures de l'ordre de quelques % de leur valeur. Ceci pour des mesures angulaires fournies par des composants inertiels, pour des mesures de distance fournies par un télémètre ainsi que pour les facteurs d'échelle existant sur les grandeurs mesurées.
Appliqué à la localisation, ce procédé permet de maintenir une exactitude décamétrique sur la localisation pour la reconnaissance et la désignation d'objectifs au sol en présence de biais.
Le procédé proposé peut être mis en œuvre dans les conditions suivantes :
soit de manière supervisée, dans une approche sur une zone d'intérêt, le superviseur du système optronique aéroporté décide d'établir un calibrage du système de mesure. Il décide alors d'une zone (CPDV) adéquate sur laquelle le point d'accrochage G0 est recherché. Le point G0 peut être choisi par le superviseur (ainsi qu'éventuellement les autres points G-i , G2, ...),
soit de manière automatique, dans un mode où le capteur est disponible au sens où il n'est pas exploité pour une fonction opérationnelle. Compte tenu de la trajectoire de l'aéronef, une zone adéquate est définie sur laquelle le point d'accrochage G0 est automatiquement choisi par un traitement d'image qui recherche un point contrasté sur cette zone et vérifie éventuellement la présence d'autres points G-i , G2, dans le voisinage.
Les défauts mesurés sont éventuellement comparés à l'historique des évaluations précédentes et une correction courante est évaluée. La correction est appliquée sur les mesures suivantes de l'instrument de mesure obtenues par exemple en dehors de ce procédé de calibrage.
Sur un système terrestre comme par exemple une caméra portable, on peut grâce au procédé localiser une cible au moyen d'un compas magnétique et d'un télémètre sans devoir estimer la déclinaison magnétique locale. Pour ce faire, on vise un point du sol caractéristique G0 sur lequel on réalise deux jeux de mesures depuis deux positions différentes P-i , P2 en déplaçant la caméra. Ces positions sont par exemple fournies par un système de positionnement tel qu'un GPS. Dans ce cas le dispositif d'acquisition d'images n'enregistre pas nécessairement lesdites images. Sous cette forme la correction permet d'évaluer la déclinaison locale et d'exploiter l'information en vue de localiser d'autres points de la scène G-i, G2, sur une large zone autour de laquelle a eu lieu le calibrage.
On a représenté figure 2 un exemple de système optronique équipé de moyens de calibrage d'un instrument de mesure.
Il comprend :
- un dispositif 10 d'acquisition d'images d'une scène comprenant un objet fixe G0 ; ce dispositif d'acquisition d'images n'enregistre pas nécessairement lesdites images ;
- des moyens 15 manuels ou automatiques de poursuite de l'objet fixe G0 au cours de l'acquisition de ces images ;
- au moins un instrument de mesure de la distance 25 et/ou un instrument de mesure d'angles d'orientation et/ou d'attitude 30 entre cet instrument de mesure et l'objet fixe G0, selon une ligne de visée LdV. Cet instrument est à calibrer ;
- des moyens de positionnement 20 apte à fournir les positions P-i, P2, ... Pi, Pj, ... du système,
- un dispositif 41 de rectification et synchronisation des mesures avec ces positions. La rectification consiste en particulier à appliquer les corrections estimées par le processus de calibrage,
- une unité de calcul 40 apte à estimer les défauts de mesure qui minimisent la dispersion d'au moins deux points d'intersection Gij entre la LdV à la position Pi et la LdV à la position Pj, en fonction desdites mesures et des positions Pi, Pj du système et apte à appliquer les défauts estimés aux mesures.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de calibrage d'instruments de mesure d'un système optronique en mouvement, de positions P-i, P2, Pi, ce système optronique comprenant :
un dispositif d'acquisition (10) d'images d'une scène comprenant un objet fixe G0 et,
des moyens de poursuite (15) de l'objet fixe G0 au cours de l'acquisition de ces images,
des moyens d'obtention des positions (20) P-i, P2, ... au moins un instrument de mesure de la distance (25) et/ou un instrument de mesure d'angles d'orientation et/ou d'attitude (30) entre cet instrument de mesure et l'objet fixe Go, selon une ligne de visée LdV,
caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
acquisition à des instants t-ι , t2, ... d'au moins deux images, chaque image étant acquise à partir de positions différentes P-i, P2, ... du système, l'objet fixe G0 étant visé dans chaque image, mais sa position étant inconnue,
acquisition aux instants ΐΊ, t'2, ... de mesures de distance et/ou d'angle,
synchronisation des mesures de distance et/ou d'angle avec les positions Pi , P2, ... établies à des instants ti , t2, estimation des défauts de mesure qui minimisent la dispersion d'au moins deux points d'intersection G entre la LdV à la position P, et la LdV à la position Pj, en fonction desdites mesures et des positions connues P,, Pj du système.
2. Procédé de calibrage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que G0 est au centre des images.
3. Procédé de calibrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le seul instrument de mesure calibré est un instrument de mesure d'angles d'orientation et/ou d'attitude, et en ce que les mesures sont acquises à partir d'au moins trois positions P-i , P2, P3 différentes.
4. Procédé de calibrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le seul instrument de mesure calibré est un télémètre, et en ce que les mesures sont acquises à partir d'au moins deux positions différentes.
5. Procédé de calibrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un autre objet fixe G 1 étant visible sur au moins deux images, il comprend en outre une étape de mise en correspondance dans chaque image des objets fixes G0, G-i , l'étape de calcul des défauts de mesure étant en outre réalisée en fonction de caractéristiques prédéterminées internes au dispositif d'acquisition des images.
6. Procédé de calibrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'optimisation des conditions de mesure basée sur la détermination d'une trajectoire optimale du capteur pour une position connue de l'objet G0, ou sur la détermination d'une zone à privilégier pour la recherche de l'objet G0.
7. Procédé de calibrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de calcul de la position géographique de G0 et éventuellement des autres objets fixes, à partir des mesures calibrées.
8. Procédé de calibrage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de pointage de l'objet fixe G0.
9. Procédé de calibrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape suivante consistant à appliquer les défauts estimés à l'instrument de mesure de distance (25) et/ou à l'instrument de mesure d'angles d'orientation et/ou d'attitude (30) afin de bénéficier de mesures corrigées.
10. Système optronique apte à être déplacé, qui comprend :
un dispositif d'acquisition d'images (10) d'une scène comprenant un objet fixe G0 et,
des moyens de poursuite (15) de l'objet fixe G0 au cours de l'acquisition de ces images,
des moyens d'obtention des positions (20) P-i , P2, ...
au moins un instrument de mesure de la distance (25) et/ou un instrument de mesure d'angles d'orientation et/ou d'attitude (30) entre cet instrument de mesure et l'objet fixe S0, selon une ligne de visée LdV,
caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (40) de mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes.
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