WO2013034859A1 - Systeme et procede acoustique de positionnement - Google Patents

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WO2013034859A1
WO2013034859A1 PCT/FR2012/051997 FR2012051997W WO2013034859A1 WO 2013034859 A1 WO2013034859 A1 WO 2013034859A1 FR 2012051997 W FR2012051997 W FR 2012051997W WO 2013034859 A1 WO2013034859 A1 WO 2013034859A1
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WO
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acoustic
receiver
transmitter
signal
radial displacement
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PCT/FR2012/051997
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Fabien Napolitano
Sébastien Pennec
Didier Charlot
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Ixblue
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Publication date
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    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/22—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for positioning a mobile with respect to one or more references. More specifically, the invention relates to an acoustic device for measuring the relative displacement of a mobile with respect to one or more references, this measurement being based on the transmission of acoustic signals between the mobile and the reference or references.
  • the invention advantageously allows precise measurements whose accuracy is independent of the range of the acoustic transmission / reception device.
  • a method consists in measuring the travel time of an acoustic wave between a transmitter and a receiver by producing a filter adapted to the receiver and determining, by means of this adapted filter, the instant of arrival of the acoustic wave by search. maximum correlation. Knowing the moment of signal emission and the speed of sound in the medium, the determination of the arrival time makes it possible to determine the distance between the transmitter and the receiver.
  • the accuracy of the distance measurement is of the order of C / (B * V (RSB)), where B is the bandwidth of the signal, C the speed of sound in the medium and RSB the signal-to-noise ratio.
  • This methodology is used, for example, in so-called “long-base” submarine positioning systems (see, for example, “Acoustic Positioning Systems,” A Practical Overview of Current Systems “, Keith Vickery, DYNAMIC POSITIONING CONFERENCE October 13-14, 1998). ).
  • this method requires, to obtain the best precisions, to use broadband waves (and therefore of high frequency) and to have a good signal-to-noise ratio. .
  • Another method is to determine the frequency offset of an acoustic signal between a transmitter and a receiver.
  • Another method is to measure on a multi-receiver antenna the phase differences of the same signal received on the different receivers and to deduce the direction of the incident signal.
  • This methodology is used for example in underwater positioning systems called “ultra-short base” (see for example “Acoustic Positioning Systems, a practical overview of current systems", Keith Vickery, DYNAMIC POSITIONING CONFERENCE October 13 - 14, 1998 "). Nevertheless, and although the phase difference determination of such a device is typically accurate to better than 1/30 of radian, this method requires a receiving antenna not only complex because multi-receivers, but also large (typically one wave length).
  • Another method consists of an acoustic positioning system comprising a transmitter module and an acoustic receiver module connected by an electrical connection cable.
  • the transmitter module comprises a first, a second and a third acoustic emitter able respectively to emit a first acoustic signal, a second acoustic signal and a third acoustic signal of the same frequency separated by determined time intervals.
  • the clock of the reception module makes it possible to synchronize the transmission of the acoustic signals.
  • the acoustic receiver measures the time intervals between the acoustic signals emitted and the acoustic signals received, to deduce the positioning of the acoustic receiver relative to the three emitters.
  • correlation log Another method, called correlation log, consists in using an antenna comprising a transmitter and at least three acoustic receivers.
  • the principle of the correlation log method is to emit an acoustic signal, which during its propagation is reflected on the interfaces of the medium, then to correlate the feedback signals received on the different acoustic receivers with respect to each other in order to derive the speed of the antenna from the reflective interfaces (see for example "Simulation of the correlation velocity log using a computer based acoustic model", Alison Keary, Martyn Hill, Paul White, Henry Robinson, 1 1 th International Unmanned Untethered Submersible Technology Symposium, Durham, USA, Aug. 1999, 446-454).
  • This method makes it possible to determine the speed of the multi-receiver reception antenna relative to the medium.
  • this method requires, as the ultra-short basic method, the use of a multi-receiver antenna and therefore both complex and large, which limits its practical use.
  • broadband log Doppler Another method, called broadband log Doppler, is to use an antenna with several acoustic transceivers (one per direction observed).
  • the principle of broadband log Doppler consists, for each transmitter-receiver pair, in successively emitting two acoustic waves, which during their propagation are reflected on the interfaces of the medium, and then in measuring on the corresponding receiver the phase differences of the two return signals to derive the velocity (see for example "Performance of a Broad-Band Acoustic Doppler Current Profiler", Blair H. Brumley, Ramon G. Cabrera, Kent L. Kindles, and Eugene A. Terray, IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING, VOL.16, NO.4, OCTOBER 1991 and JESSICA R.
  • Each transceiver determines the speed of the antenna in the direction of the transmitted wave. It is therefore necessary to have an antenna having at least three transceivers to fully determine the speed of the carrier of the antenna. Moreover, in order to obtain an accurate speed, it is necessary for the emitted wave to have a small aperture, typically a few degrees, which implies that the acoustic transducers are large in relation to the emitted wavelength.
  • the acoustic log type methods such as the correlation log method and the broadband log doppler method mentioned above, do not make it possible to position a mobile in a passive and discrete manner, it is in such a way that the mobile does not emit acoustic signals.
  • One of the objectives of the invention is to provide a device and a method for measuring the relative position of an object with respect to one or more references based on the propagation of acoustic waves between the different elements and making it possible to obtain a positioning accuracy of a fraction of the acoustic wavelength used and independent of the distance, while using small and low cost elements.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of the prior art and more particularly relates to an acoustic positioning system comprising acoustic emission means and acoustic reception means, the acoustic emission means comprising an acoustic transmitter and an acoustic clock.
  • said acoustic transmission means being configured to emit a sequence of at least a first acoustic signal S1 and a second acoustic signal S2 of the same central acoustic frequency, separated by a determined time interval T
  • said acoustic reception means comprising an acoustic receiver and a receiver clock, said acoustic reception means being able to receive and measure the arrival phase q) i of the first acoustic signal S1 and the arrival phase ⁇ 2 of the second acoustic signal S2 on said receiver acoustically, said arrival phases q) i, ⁇ 2 being measured by compared to a reference oscillator.
  • the transmitter clock and the receiver clock are asynchronous, and said system comprises means for measuring the radial displacement relative between said acoustic transmitter and said acoustic receiver, said measuring means comprising:
  • the calculation means are configured to precisely determine the relative displacement (R2-R1) according to the formulas following:
  • R2 - R1 AX-- AX- + K ⁇ - AX (- [])
  • ⁇ represents the wavelength at the acoustic frequency / and [/ T] represents the entire part of the product of the acoustic frequency by the time interval T, that is to say the largest integer strictly less than / T.
  • the acoustic transmission means comprise an acoustic transmitter and the acoustic reception means comprise an acoustic receiver and the system makes it possible to precisely measure the relative radial displacement between the acoustic transmitter and the acoustic receiver during a time interval T;
  • the acoustic emission means comprise at least two acoustic transmitters and the acoustic reception means comprise an acoustic receiver and the system makes it possible to measure the relative radial displacement respectively between each pair formed of an acoustic transmitter and the acoustic receiver;
  • the acoustic transmission means comprise an acoustic transmitter and the acoustic reception means comprise at least two acoustic receivers and the system makes it possible to measure the relative radial displacement respectively between each pair formed by the acoustic transmitter and an acoustic receiver.
  • the auxiliary means for evaluating the radial displacement estimation (R2-R1) A ux comprise one or more of the following means:
  • (T2-T1) AUX is the estimated difference in travel time
  • an inertial means for measuring the radial displacement estimation (R2 -R ⁇ ) AUX said inertial means being based on the use of one or more accelerometers, or on the use of one or more units of measurement inertial device comprising gyroscopes and accelerometers, or the use of one or more inertial navigation units hybridized with other external positioning means.
  • the estimate of the radial displacement (R2-R ⁇ ) AUX can be assumed to be known a priori and equal to zero provided that the radial velocity of displacement between said acoustic transmitter and said acoustic receiver is Low enough:
  • acoustic being such that - ⁇ VT ⁇ -, one can pose that the estimate of the radial displacement (R2 -R ⁇ ) AUX is equal to zero.
  • the auxiliary means for evaluating the approximate difference (R2- R1) AUX comprise a second acoustic positioning system having one of the following characteristics:
  • the second system operates at a lower acoustic frequency or a higher rate than the first acoustic positioning system so that the relative displacement of the mobile relative to the second system is less than half a wavelength between two acoustic emissions successive of the second system;
  • the invention also relates to a relative positioning method between acoustic emission means and acoustic reception means, said acoustic transmission means comprising an acoustic transmitter and an emitter clock and said acoustic reception means comprising an acoustic receiver and a receiver clock, the transmitter clock and the receiver clock being asynchronous, said method comprising the following steps
  • acoustic reception means comprising an acoustic receiver (B2) and a receiver clock, said arrival phases q) i, ⁇ 2 being measured with respect to a reference oscillator,
  • the invention will find a particularly advantageous application in acoustic positioning and / or navigation systems.
  • FIG. 1 schematically represents a device with a transmitter and an acoustic receiver, the transmitter being represented at two moments of emission of acoustic waves, and the acoustic receiver with two moments of reception of acoustic waves;
  • FIG. 2 represents a particular embodiment in which the relative displacement between the transmitter and the receiver is constrained in one dimension and only the receiver moves over time;
  • FIG. 3 represents a particular embodiment in which the relative displacement between the transmitter and the receiver is constrained in one dimension and only the transmitter moves over time;
  • FIG. 4 schematically shows a device, based on the use of a mobile receiver and two fixed transmitters, and for estimating the movement of the mobile in a plane;
  • FIG. 5 schematically shows a device to a fixed acoustic transmitter and a mobile acoustic receiver moving in space;
  • FIG. 6 schematically represents a device in which the data of the acoustic receiver is hybridized with the data of an inertial navigation unit.
  • FIG. 1 schematically illustrates the operation of an acoustic positioning device according to a first embodiment.
  • the device comprises an acoustic transmitter B1 carried for example by a reference carrier and an acoustic receiver B2 carried for example by a mobile vehicle.
  • Acoustic receiver B2 is represented at two moments of reception. acoustic signals S1 and S2, that is to say at times T2 and T3.
  • the distance R1 is the distance traveled by the first acoustic signal S1 between the transmitter B1 at the instant TO and the receiver B2 at the instant T2.
  • the distance R2 is the distance traveled by the second acoustic signal S2 between the transmitter B1 at time T1 and the receiver B2 at time T3.
  • the transmitter B1 and the receiver B2 are mobile. It is sought to measure the relative radial displacement between the transmitter B1 and the receiver B2 during the time interval T or, in other words, the variation of the distance between the two points during the time interval considered.
  • a calculator makes it possible to precisely determine the distance R2-R1, from the parameters T, from the phases measured at each of the receptions, and from an approximate value (R 2 -R i ) AUX of R2-R1 to better than half a length d wave, thanks to the following algorithm:
  • R2 - R1 ⁇ x- ⁇ x + K ⁇ - ⁇ x (fT-ft)
  • ⁇ represents the acoustic wavelength of the acoustic signals S1 and S2 and [/ T] represents the entire part of the product of the central acoustic frequency by the time interval T, that is to say the largest integer strictly less than / T.
  • the accuracy of the device is affected by the good knowledge of the term / T.
  • the frequency / signals acoustically used is, in general, relatively low (typically a few kHz to a few hundred kHz). There is therefore no need for a high precision clock to operate the device because an approximate control of T is sufficient.
  • the device of the invention thus makes it possible to accurately measure the relative displacement R2-R1 between the transmitter B1 and the receiver B2 over time with a precision equal to a fraction of the wavelength ⁇ of the acoustic signal used (typically 1/1 0 to 1/1 00 wavelength depending on the different signal and clock characteristics retained) and therefore with an accuracy of at least an order of magnitude better than conventional methods.
  • the accuracy of the device will be, depending on the signal-to-signal ratio. noise, the performance of the phase detector and other elements of the device, of the order of 0.1 5 cm to 1 5 cm while, as we have seen above, an earlier method using frequency waves comparable, based on the detection of arrival times, would lead to an accuracy of about 5 cm.
  • the invention makes it possible to obtain measurement accuracy independent of the distance between the transmitter and the receiver, to the knowledge of the near speed profile.
  • the invention makes it possible to use acoustic waves of lower frequency than the prior devices for the same measurement accuracy.
  • the invention thus makes it possible to obtain very good positioning performance at a very large range with a gain of an order of magnitude compared with conventional methods.
  • the device of the invention does not require a precise clock to operate; a clock whose stability is a few ppm is enough.
  • the device of the invention does not require synchronizing the clock of the receiver and the transmitter to operate.
  • the device of the invention makes it possible to accurately position a mobile on which is fixed an acoustic device operating only in reception, ie in passive listening alone, and therefore with the correlative advantages of discretion, of energy saving on board , positioning multiple mobiles on the same area without interference.
  • the device of the invention is based on simple elements commonly used in acoustics and available at low cost (acoustic transmitter and receiver, computer).
  • the device of the invention makes it possible to obtain very good performances by using small elements because it does not require the use of a multi-sensor antenna.
  • This configuration can be adapted according to the problem to be solved as described in the following sections in particular.
  • the waveform of the acoustic signals used may be of any type commonly used in acoustics: pure frequency signals, frequency modulated signals, phase modulated signals, and so on.
  • the signals can be chosen to have a greater or lesser sensitivity to the Doppler shift, which sensitivity can then be compensated or not in the calculation. In the case where one chooses to compensate for this sensitivity, the compensation is translated in practice by a correction of the terms ⁇ and / in the calculation formulas.
  • the waveforms of the acoustic signals sent successively by the transmitter may be different without affecting the calculation formulas provided that their central frequency is the same.
  • More than two successive transmissions may be used and the signals transmitted over time as well as the time intervals between the different signals may be different.
  • the number of acoustic transmission means and / or receptions must be adapted to the size of the problem to be solved as well as to the other constraints of the environment.
  • FIG. 2 schematically represents an acoustic positioning device according to a particular embodiment, wherein the acoustic transmitter B1 is fixed and the acoustic receiver B2 is on a mobile whose displacement is constrained along a geometric line. In this case, it is sufficient to use a transmitter and a receiver to fully determine the movement of the mobile.
  • FIG. 3 schematically represents an acoustic positioning device according to another particular embodiment, wherein the acoustic receiver B2 is fixed and the acoustic transmitter B1 is on a mobile whose displacement is constrained along a geometric line. In this case too, it suffices to use a transmitter and a receiver to fully determine the movement of the mobile.
  • Figure 4 schematically shows an acoustic device according to another embodiment, in the case of a mobile moving on a plane.
  • Figure 5 shows schematically an acoustic device according to another embodiment, in the case of a mobile having an acoustic receiver and moving relative to a fixed reference comprising an acoustic transmitter.
  • the mobile comprises an inertial displacement measurement means providing on the one hand an estimate of the displacement DP in the space between the two moments of reception of the waves S1 and S2, and on the other hand an estimate of the direction M bisector of the directions vectors R1 and R2.
  • the device can be advantageously combined with an inertial means for measuring movement.
  • it is particularly advantageous to perform hybridization between these two means.
  • a mobile comprising an acoustic receiver B2, a CPU calculator and an INS inertial navigation unit is considered. It is assumed that an acoustic transmitter is fixed at a known point and transmits sequences of two signals S1, S2 as described above.
  • the acoustic receiver B2 determines the arrival phases ⁇ and ⁇ 2, respectively, of the signals S1 and S2 and transmits them to the computer;
  • the inertial navigation unit INS determines a value of the approximate difference (R2-R1) A ux of the radial displacement of the mobile with respect to the transmitter having a known position and transmits this value of the approximate difference (R2-R1) A ux the CPU calculator; as can be seen in FIG. 5, this value of the approximate difference (R2-R1) A ux is easily determined from an estimation of the displacement of the inertial unit, of its initial position and of the known position, the issuer;
  • the computer determines, according to the method of the invention, a corrected value (R2-R1) of the relative radial displacement of the mobile with respect to the transmitter and transmits it to the inertial navigation unit;
  • the inertial navigation unit uses (for example by means of a Kalman filter) the corrected value of the relative displacement (R2-R1) in order to correct the estimate of its internal parameters.
  • the inertial unit derives less than 7.5 cm between the reception of the two signals S1 and S2 for the device to operate.
  • the interval of time between the signals S1 and S2 is of the order of 1 second, it is sufficient that the inertial unit derives less than 7.5 cm in 1 second.
  • Inertial navigation units of this performance class are available on the market. For example, the PHINS inertial unit of the company iXSea.
  • the inertial unit can be hybridized with a log doppler.
  • hybridization also includes many additional advantages that will appear immediately to the skilled person.
  • hybridization makes it possible to obtain a better performance than the combination of the two systems.
  • Hybridization makes it possible to obtain data at a high rate and not to limit itself to the rate of acoustic waves.
  • Hybridization makes it possible to obtain a precise position in space with a single reference beacon by taking advantage of the motions of the mobile over time to resolve the different ambiguities.
  • acoustic emissions can be triggered by an electrical or acoustic signal.
  • this electrical or acoustic signal may be sent by the means used in reception or by the means used in transmission in the device of the invention.
  • the acoustic signals transiting between the different elements of the system may carry additional information used or not in the context of the measurement of the movement.
  • the signals may contain information on the state of the transmitter and in particular on its position along one or more of the three axes of the space.
  • This additional information may or may not be used to resolve wavelength ambiguities.
  • the speed profile information (knowledge of C along the acoustic path) can be determined by any conventional means and used in time deferred or in real time. They can also be estimated in conjunction with positioning.
  • the method and the device of the invention have many applications, particularly in the fields of robotics, navigation and metrology.
  • the invention and the device can be used to very precisely position the elements of a work robot relative to reference elements in its environment.
  • the invention and the device can be used to precisely determine the movements of a vehicle operating on an area previously equipped with reference systems.
  • the invention and the device can be used to determine the movements of intervention or measurement robots in dangerous environments (mines, radioactive environment, ...) or difficult to access (sea depths, uninhabited areas, etc.). ).
  • the invention and the device can be used to perform precise metrology operations using measurement systems moving between the different elements to be positioned and whose movements are determined by means of the invention.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif acoustique de positionnement comprenant des moyens d'émission acoustique (B1) et des moyens de réception acoustique (B2), le dispositif étant configuré pour émettre une séquence d'au moins un premier signal acoustique S1 et un second signal acoustique S2, séparés par un intervalle temporel T, et pour recevoir et mesurer la phase d'arrivée φ1 de S1 et la phase d'arrivée φ2 de S2. Selon l'invention, le dispositif comprend des moyens de mesure d'un déplacement relatif entre les moyens d'émission acoustique (B1) et les moyens de réception acoustique (B2) comprenant des moyens de détermination d'une valeur de la différence approchée (R2-R1)AUX entre, d'une part la distance R1 parcourue par le premier signal acoustique S1 entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, et d'autre part la distance R2 parcourue par le second signal acoustique S2 entre les moyens d'émission acoustique et les moyens de réception acoustique, et des moyens de calcul du déplacement relatif (R2-R1) entre lesdits moyens d'émission acoustique et lesdits moyens de réception acoustique en fonction de la différence approchée (R2-R1)AUX, de l'intervalle temporel T et des phases d'arrivée φ1, φ2 respectivement du premier signal acoustique S1 et du second signal acoustique S2.

Description

SYSTEME ET PROCEDE ACOUSTIQUE DE POSITIONNEMENT
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de positionnement d'un mobile par rapport à une ou plusieurs références. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif acoustique de mesure de déplacement relatif d'un mobile par rapport à une ou plusieurs références, cette mesure étant basée sur la transmission de signaux acoustiques entre le mobile et la ou les références. L'invention permet avantageusement des mesures précises et dont la précision est indépendante de la portée du dispositif acoustique d'émission/réception.
On connaît différents dispositifs et procédés de positionnement basés sur l'utilisation des ondes acoustiques. De nombreux systèmes de mesure de déplacement relatif entre un mobile et une ou plusieurs références par ondes acoustiques existent.
Ainsi une méthode consiste à mesurer le temps de trajet d'une onde acoustique entre un émetteur et un récepteur en réalisant un filtre adapté sur le récepteur et en déterminant grâce à ce filtre adapté l'instant d'arrivée de l'onde acoustique par recherche du maximum de corrélation. Connaissant l'instant d'émission du signal et la vitesse du son dans le milieu, la détermination de l'instant d'arrivée permet de déterminer la distance entre l'émetteur et le récepteur. La précision de la mesure de distance est de l'ordre de C/(B*V(RSB)), où B est la bande passante du signal, C la vitesse du son dans le milieu et RSB le rapport signal sur bruit. Cette méthodologie est utilisée par exemple dans les systèmes de positionnement sous-marin dits « base- longue » (voir par exemple « Acoustic Positioning Systems, a practical overview of current Systems », Keith Vickery, DYNAMIC POSITIONING CONFERENCE October 13 - 14, 1998 »). Néanmoins comme on le voit dans la formule de précision de la mesure de distance, cette méthode impose, pour obtenir les meilleures précisions, d'utiliser des ondes de large bande (et donc de haute fréquence) et d'avoir un bon rapport signal bruit. Par exemple, l'utilisation de cette méthode dans l'eau (C=1500 m/s), avec un signal de fréquence centrale 10 kHz, de bande passante 1 kHz et un (très bon) rapport signal sur bruit de 10dB, conduit à une imprécision de 5 cm insuffisante pour de nombreuses applications. Cette méthode est donc limitée en précision à une fréquence donnée. Cependant, l'augmentation de la précision permise par une augmentation de la fréquence conduit à une diminution de la portée (les ondes haute fréquence se propageant moins bien que les ondes basse fréquence).
Une autre méthode consiste à déterminer le décalage de fréquence d'un signal acoustique entre un émetteur et un récepteur. Ce décalage, appelé décalage doppler, est proportionnel à la fréquence F du signal utilisé : DOPPLER=(V/C)F, où V est la vitesse que l'on cherche à déterminer et C la vitesse du son dans le milieu. Le décalage doppler étant proportionnel à la fréquence F du signal acoustique, il est nécessaire d'utiliser des signaux de fréquence élevée pour améliorer la précision du dispositif. Par exemple, l'utilisation de cette méthode dans l'eau (C=1500 m/s) avec un signal à 10 kHz et une capacité de discrimination des fréquences de 10 Hz conduit à une imprécision de détermination de la vitesse de 0.15 m/s ce qui est incompatible avec la majorité des applications. La nécessité d'utiliser de hautes fréquences conduit à une réduction de la portée et limite donc l'utilisation de cette méthodologie.
Une autre méthode consiste à mesurer sur une antenne multi-récepteurs les différences de phase d'un même signal reçu sur les différents récepteurs et à en déduire la direction du signal incident. Cette méthodologie est utilisée par exemple dans les systèmes de positionnement sous-marin dits « base ultra-courte » (voir par exemple « Acoustic Positioning Systems, a practical overview of current Systems », Keith Vickery, DYNAMIC POSITIONING CONFERENCE October 13 - 14, 1998 »). Néanmoins et bien que la détermination des différences de phase d'un tel dispositif soit précise typiquement à mieux que 1 /30 de radian, cette méthode nécessite une antenne de réception non seulement complexe car multi-récepteurs, mais aussi de grande taille (typiquement une longueur d'onde). Par exemple l'utilisation de cette méthode dans l'eau (C=1500 m/s) avec un signal à 10 kHz (de longueur d'onde λ égale à 0.15m), une antenne de 0.15m et une précision de mesure des différences de phase de 1 /30 de radian, conduit à une incertitude sur la direction du signal incident de 2 degrés. Projeté par exemple à une distance de 600 m, cette incertitude angulaire conduit à une incertitude de positionnement de la source de l'onde reçue de plus de 20 m. Cette méthode est donc limitée en précision à grande portée, sauf à supposer qu'on utilise une antenne de réception de taille rédhibitoire pour la majorité des applications pratiques.
Une autre méthode, décrite dans le document GB21 13391 A1 , consiste en un système acoustique de positionnement comprenant un module émetteur et un module récepteur acoustique reliés par un câble de connexion électrique. Le module émetteur comprend un premier, un deuxième et un troisième émetteurs acoustique aptes à émettre respectivement un premier signal acoustique, un deuxième signal acoustique et un troisième signal acoustique de même fréquence séparés par des intervalles temporels déterminés. L'horloge du module de réception permet de synchroniser rémission des signaux acoustiques. Le récepteur acoustique mesure les intervalles temporels entre les signaux acoustiques émis et les signaux acoustiques reçus, pour en déduire le positionnement du récepteur acoustique relativement aux trois émetteurs.
Une autre méthode, appelée log à corrélation, consiste à utiliser une antenne comprenant un émetteur et au moins trois récepteurs acoustiques. Le principe de la méthode log à corrélation consiste à émettre un signal acoustique, qui au cours de sa propagation se réfléchit sur les interfaces du milieu, puis à corréler les signaux de retour reçus sur les différents récepteurs acoustiques les uns par rapport aux autres afin d'en déduire la vitesse de l'antenne par rapport aux interfaces réfléchissantes (voir par exemple « Simulation of the corrélation velocity log using a computer based acoustic model », Alison Keary, Martyn Hill, Paul White, Henry Robinson, 1 1 th International Symposium Unmanned Untethered Submersible Technology, Durham, USA, Aug 1999. , 446-454). Cette méthode permet de déterminer la vitesse de l'antenne de réception multi-récepteurs par rapport au milieu. Cependant, cette méthode nécessite, comme la méthode de base ultra-courte, l'utilisation d'une antenne multi-récepteurs et donc à la fois complexe et de grande taille, ce qui limite son utilisation pratique.
Une autre méthode, appelée log Doppler large bande, consiste à utiliser une antenne comprenant plusieurs émetteurs-récepteurs acoustiques (un par direction observée). Le principe du log Doppler large bande consiste, pour chaque couple émetteur-récepteur, à émettre successivement deux ondes acoustiques, qui au cours de leur propagation se réfléchissent sur les interfaces du milieu, puis à mesurer sur le récepteur correspondant les différences de phase des deux signaux de retour afin d'en déduire la vitesse (voir par exemple « Performance of a Broad-Band Acoustic Doppler Current Profiler », Blair H. Brumley, Ramon G. Cabrera, Kent L. Deines, and Eugène A. Terray, IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING, VOL. 16, NO. 4, OCTOBER 1991 et « Accuracy of a Pulse-Coherent Acoustic Doppler Profiler in a Wave-Dominated Flow », JESSICA R. LACY, CHRISTOPHER R. SHERWOOD, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, vol. 21 , 2004, pp. 1448-1461 ). Chaque émetteur-récepteur permet de déterminer la vitesse de l'antenne dans la direction de l'onde émise. Il est donc nécessaire de disposer d'une antenne ayant au moins trois émetteurs-récepteurs afin de déterminer entièrement la vitesse du porteur de l'antenne. De plus, afin d'obtenir une vitesse précise, il est nécessaire que l'onde émise ait une ouverture faible, typiquement de quelques degrés, ce qui implique que les transducteurs acoustiques soient de grande taille par rapport à la longueur d'onde émise. Par exemple, pour utiliser cette méthode avec des ondes de fréquence 100 kHz, il est nécessaire typiquement, pour obtenir des faisceaux de 3 degrés, d'utiliser des transducteurs de 20 cm de diamètre. Cette méthode est donc limitée en pratique à des ondes de fréquence élevée (typiquement à partir de quelques centaines de kilo-hertz), afin de ne pas avoir des tailles d'antennes rédhibitoires. Les ondes de haute fréquence s'atténuant rapidement dans le milieu, cette méthode, outre qu'elle impose l'utilisation d'antennes complexes, est, en pratique, fortement limitée en portée.
On peut en outre noter que les méthodes de type log acoustique, telles que la méthode de log à corrélation et la méthode de log doppler large bande citées ci-dessus, ne permettent pas de positionner un mobile de façon passive et discrète, c'est-à-dire de telle manière que le mobile n'émette pas de signaux acoustiques.
Chacune de ces différentes méthodes acoustiques est utilisée couramment dans de nombreuses applications qui vont de la métrologie à la navigation de véhicules sous- marins en passant par la robotique. Par contre, comme on l'a vu ci-dessus, ces différentes méthodes souffrent de limitations pratiques en termes de performance ou d'usage. Les méthodes citées ont de nombreuses variantes et sont souvent utilisées de façon combinée. La combinaison de ces méthodes entre elles ou avec d'autres moyens auxiliaires (voir par exemple la référence : « The AUV positioning using ranges from one transponder LBL », Alexander Ph. Scherbatyuk, OCEAN 1995) permet de réduire une partie des limitations. Ainsi, le document J. Vaganay et al., «Homing by acoustic ranging to a single beacon », Océans 2000 MTS/IEEE Conférence and Exhibition, Sept. 1 1 -14 2000, IEEE, Vol. 2 P. 1457-1462, décrit un procédé de positionnement acoustique d'un mobile relativement à une balise, consistant à obtenir une première estimation de la position du mobile puis à raffiner la première estimation pendant le déplacement du mobile par l'utilisation d'un filtre de Kalman. Néanmoins, par nature ces diverses combinaisons ne permettent pas de résoudre les limitations fondamentales, en particulier de précision, de portée, de complexité et de taille d'antenne, de non- discrétion, inhérentes à chacune de ces méthodes de mesure acoustique.
Il existe donc un besoin pour un dispositif acoustique de positionnement de petite taille et de coût réduit permettant d'obtenir de très bonnes performances à grande portée. En particulier, il existe un besoin pour un tel dispositif dont la performance soit fondamentalement indépendante de la portée. En particulier, il existe un besoin pour un tel dispositif ne nécessitant pas d'antenne de grande taille sur la référence ou sur le mobile. En particulier, il existe un besoin pour un tel dispositif permettant de positionner un mobile de façon passive, c'est-à-dire sans qu'il soit besoin que le mobile émette des ondes acoustiques.
Un des objectifs de l'invention est de fournir un dispositif et un procédé de mesure de la position relative d'un objet par rapport à une ou plusieurs références basé sur la propagation d'ondes acoustiques entre les différents éléments et permettant d'obtenir une précision de positionnement d'une fraction de la longueur d'onde acoustique utilisée et indépendante de la distance, tout en utilisant des éléments de petite taille et de bas coût.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques antérieures et concerne plus particulièrement un système acoustique de positionnement comprenant des moyens d'émission acoustique et des moyens de réception acoustique, les moyens d'émission acoustique comprenant un émetteur acoustique et une horloge d'émetteur, lesdits moyens d'émission acoustique étant configurés pour émettre une séquence d'au moins un premier signal acoustique S1 et un second signal acoustique S2 de même fréquence acoustique centrale , séparés par un intervalle temporel T déterminé, lesdits moyens de réception acoustique comprenant un récepteur acoustique et une horloge de récepteur, lesdits moyens de réception acoustique étant aptes à recevoir et à mesurer la phase d'arrivée q)i du premier signal acoustique S1 et la phase d'arrivée φ2 du second signal acoustique S2 sur ledit récepteur acoustique, lesdites phases d'arrivée q)i , φ2 étant mesurées par rapport à un oscillateur de référence.
Selon l'invention, l'horloge d'émetteur et l'horloge de récepteur sont asynchrones, et ledit système comprend des moyens de mesure du déplacement radial relatif entre ledit émetteur acoustique et ledit récepteur acoustique, lesdits moyens de mesure comprenant :
des moyens auxiliaires d'évaluation, avec une précision d'une demi-longueur d'onde, d'une estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux entre, d'une part la distance R1 parcourue par le premier signal acoustique S1 entre ledit émetteur acoustique et ledit récepteur acoustique, et d'autre part la distance R2 parcourue par le second signal acoustique S2 entre ledit émetteur acoustique et ledit récepteur acoustique,
et des moyens de calcul du déplacement relatif (R2-R1) entre ledit émetteur acoustique et ledit récepteur acoustique en fonction de l'estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux, de l'intervalle temporel T et des phases d'arrivée q)i , φ2 respectivement du premier signal acoustique S1 et du second signal acoustique S2.
Selon un mode de réalisation préféré du système acoustique de positionnement de l'invention, la fréquence acoustique centrale des signaux acoustiques S1 et S2 étant égale àf, les moyens de calcul sont configurés pour déterminer précisément le déplacement relatif (R2-R1) selon les formules suivantes :
Détermination de l'unique entier K tel que :
(R2 - R, )AUX 1 (R2 - R I )AUX .
- +—
■^— ^- (fr- [JT]) + K so\t dans l'intervalle À 2 ' À
(I)
2π 2π
Calcul de
R2 - RÏ = ÀX—- ÀX—+ KÀ - ÀX ( - [ ])
2π 2π (π)
où λ représente la longueur d'onde à la fréquence acoustique/et [/T] représente la partie entière du produit de la fréquence acoustique par l'intervalle temporel T, c'est-à-dire le plus grand nombre entier strictement inférieur à /T.
Selon différents aspects particuliers du système acoustique de positionnement de l'invention :
les moyens d'émission acoustique comprennent un émetteur acoustique et les moyens de réception acoustique comprennent un récepteur acoustique et le système permet de mesurer précisément le déplacement radial relatif entre l'émetteur acoustique et le récepteur acoustique pendant un intervalle de temps T ;
les moyens d'émission acoustique comprennent au moins deux émetteurs acoustiques et les moyens de réception acoustique comprennent un récepteur acoustique et le système permet de mesurer le déplacement radial relatif respectivement entre chacun des couples formés d'un émetteur acoustique et du récepteur acoustique ;
les moyens d'émission acoustique comprennent un émetteur acoustique et les moyens de réception acoustique comprennent au moins deux récepteurs acoustiques et le système permet de mesurer le déplacement radial relatif respectivement entre chacun des couples formé de l'émetteur acoustique et d'un récepteur acoustique.
Selon d'autres aspects particuliers de l'invention, les moyens auxiliaires d'évaluation de l'estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux comprennent un ou plusieurs des moyens suivants :
un moyen de détermination de la vitesse VAUX du déplacement relatif entre ledit émetteur acoustique et ledit récepteur acoustique, basé sur l'estimation du décalage doppler des ondes acoustiques transmises entre ledit émetteur acoustique et ledit récepteur acoustique :
(R2 -R\)AUX = VAUXT =— DOPPLERxT un moyen de détermination de la différence (T2-T1 )Aux de temps de trajet respectif des signaux acoustiques S1 et S2 entre ledit émetteur acoustique et ledit récepteur acoustique:
(R2-Rl)AUX c(T2-Tl)AUX
où (T2-T1 )AUX est la différence estimée de temps de trajet ;
un moyen inertiel de mesure de l'estimation du déplacement radial (R2 -R\)AUX , ledit moyen inertiel étant basé sur l'utilisation d'un ou plusieurs accéléromètres, ou sur l'utilisation d'une ou de plusieurs unités de mesure inertielle comprenant des gyroscopes et des accéléromètres, ou sur l'utilisation d'une ou de plusieurs centrales de navigation inertielle hybridées avec d'autres moyens externes de positionnement.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, l'estimation du déplacement radial (R2-R\)AUX peut être supposée connue à priori et égale à zéro sous réserve que la vitesse radiale de déplacement entre ledit émetteur acoustique et ledit récepteur acoustique soit suffisamment faible :
Dans le cas ou la vitesse radiale V de déplacement relatif entre l'émetteur et le récepteur est telle que lequel le produit de l'intervalle temporel T par la vitesse radiale V de déplacement relatif entre l'émetteur acoustique et le récepteur
A A
acoustique étant tel que -— < VT <— , on peut poser que l'estimation du déplacement radial (R2 -R\)AUX est égale à zéro.
Selon d'autres aspects particuliers d'un premier système acoustique de positionnement de l'invention, les moyens auxiliaires d'évaluation de la différence approchée (R2- R1 )AUX comprennent un second système acoustique de positionnement ayant une des caractéristiques suivantes :
le second système fonctionne à une fréquence acoustique plus basse ou une cadence plus élevée que le premier système acoustique de positionnement de manière à ce que le déplacement relatif du mobile par rapport au second système soit inférieur à une demi longueur d'onde entre deux émissions acoustiques successives du second système ;
le second système est disposé de telle façon que le déplacement du mobile par rapport au second système soit inférieur à une demi longueur d'onde entre deux émissions acoustiques successives du second système. L'invention concerne aussi un procédé de positionnement relatif entre des moyens d'émission acoustique et des moyens de réception acoustique, lesdits moyens d'émission acoustique comprenant un émetteur acoustique et une horloge d'émetteur et lesdits moyens de réception acoustique comprenant un récepteur acoustique et une horloge de récepteur, l'horloge d'émetteur et l'horloge de récepteur étant asynchrones, ledit procédé comprenant les étapes suivantes
émission par ledit émetteur acoustique d'une séquence d'au moins un premier signal acoustique S1 et un second signal acoustique S2, de même fréquence acoustique centrale f, séparés par un intervalle temporel T déterminé par ladite horloge d'émetteur,
réception et mesure de la phase d'arrivée q)i du premier signal acoustique S1 et de la phase d'arrivée φ2 du second signal acoustique S2 sur lesdits moyens de réception acoustique comprenant un récepteur acoustique (B2) et une horloge de récepteur, lesdites phases d'arrivée q)i , φ2 étant mesurées par rapport à un oscillateur de référence,
évaluation, avec une précision d'une demi-longueur d'onde d'une estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux entre, d'une part la distance R1 parcourue par le premier signal acoustique S1 entre l'émetteur acoustique et le récepteur acoustique, et d'autre part la distance R2 parcourue par le second signal acoustique S2 entre l'émetteur acoustique et le récepteur acoustique, calcul du déplacement relatif (R2-R1) entre lesdits moyens d'émission acoustique et lesdits moyens de réception acoustique en fonction de l'estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux , de l'intervalle temporel T et des phases d'arrivée ψι , φ2 respectivement du premier signal acoustique S1 et du second signal acoustique S2.
L'invention trouvera une application particulièrement avantageuse dans les systèmes acoustiques de positionnement et/ou de navigation.
La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles. Cette description donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un dispositif à un émetteur et un récepteur acoustique, l'émetteur étant représenté à deux instants d'émission d'ondes acoustiques, et le récepteur acoustique à deux instants de réception d'ondes acoustiques ;
- la figure 2 représente un mode de réalisation particulier dans lequel le déplacement relatif entre l'émetteur et le récepteur est contraint suivant une dimension et seul le récepteur se déplace au cours du temps ;
- la figure 3 représente un mode de réalisation particulier dans lequel le déplacement relatif entre l'émetteur et le récepteur est contraint suivant une dimension et seul l'émetteur se déplace au cours du temps ;
- la figure 4 représente schématiquement un dispositif, basé sur l'utilisation d'un récepteur mobile et de deux émetteurs fixes, et permettant d'estimer le mouvement du mobile dans un plan ;
- la figure 5 représente schématiquement un dispositif à un émetteur acoustique fixe et un récepteur acoustique mobile se déplaçant dans l'espace ;
- la figure 6 représente schématiquement un dispositif dans lequel les données du récepteur acoustique sont hybridées avec les données d'une centrale inertielle de navigation.
La figure 1 illustre schématiquement le fonctionnement d'un dispositif acoustique de positionnement selon un premier mode de réalisation. Le dispositif comprend un émetteur acoustique B1 porté par exemple par un porteur de référence et un récepteur acoustique B2 porté par exemple par un véhicule mobile. L'émetteur acoustique B1 est représenté à deux instants d'émission des signaux acoustiques S1 et S2, c'est-à-dire aux instants TO et T1 où T1 = TO + T. Le récepteur acoustique B2 est représenté à deux instants de réception des signaux acoustiques S1 et S2, c'est-à-dire aux instants T2 et T3. La distance R1 est la distance parcourue par le premier signal acoustique S1 entre l'émetteur B1 à l'instant TO et le récepteur B2 à l'instant T2. La distance R2 est la distance parcourue par le second signal acoustique S2 entre l'émetteur B1 à l'instant T1 et le récepteur B2 à l'instant T3. Sur la figure 1 , l'émetteur B1 et le récepteur B2 sont mobiles. On cherche à mesurer le déplacement radial relatif entre l'émetteur B1 et le récepteur B2 pendant l'intervalle de temps T ou, autrement dit, la variation de la distance entre les deux points pendant l'intervalle de temps considéré.
Un calculateur permet de déterminer précisément la distance R2-R1 , à partir des paramètres T, des phases mesurées à chacune des réceptions et d'une valeur approchée (R2 -Ri )AUX de R2-R1 à mieux que une demi longueur d'onde, grâce à l'algorithme suivant :
- Déterminer l'unique entier K tel que :
Figure imgf000011_0001
Calculer :
R2 - Rl = Àx^ -Àx^ + KÀ -Àx (fT - [fT])
2π 2π (II) où λ représente la longueur d'onde acoustique des signaux acoustiques S1 et S2 et [/T] représente la partie entière du produit de la fréquence acoustique centrale par l'intervalle temporel T, c'est-à-dire le plus grand nombre entier strictement inférieur à /T.
Comme on le voit dans les deux étapes de l'algorithme de calcul du déplacement relatif (R2-R1), la précision du dispositif est affectée par la bonne connaissance du terme / T. Dans le cas des ondes acoustiques, la fréquence / des signaux acoustiques utilisée est, en général, relativement faible (typiquement quelques kHz à quelques centaines de kHz). Il n'est donc pas besoin d'une horloge de haute précision pour faire fonctionner le dispositif car un contrôle approximatif de T suffit.
Par exemple si on suppose que le dispositif fonctionne dans l'eau (C=1 500 m/s) avec des signaux de fréquence centrale 1 0 kHz (λ=0.1 5ιτι), un intervalle T entre les signaux émis successivement de 1 seconde et une horloge à 5 ppm de dérive. La dérive de l'horloge ne contribue qu'à une erreur d'au plus 1 /20 de la longueur d'onde soit moins de 0.75 cm.
Le dispositif de l'invention permet ainsi de mesurer précisément le déplacement relatif R2-R1 entre l'émetteur B1 et le récepteur B2 au cours du temps avec une précision égale à une fraction de la longueur d'onde λ du signal acoustique utilisé (typiquement 1 /1 0 à 1 /1 00 de longueur d'onde en fonction des différentes caractéristiques de signaux et d'horloge retenues) et donc avec une précision d'au moins un ordre de grandeur meilleure que les méthodes classiques.
Par exemple si on suppose que le dispositif fonctionne dans l'eau (C=1 500 m/s) avec des signaux de fréquence centrale 1 0 kHz (λ=0.1 5ιτι), la précision du dispositif sera, en fonction du rapport signal sur bruit, de la performance du détecteur de phase et des autres éléments du dispositif, de l'ordre de 0.1 5 cm à 1 .5 cm tandis que, comme nous l'avons vu plus haut, une méthode antérieure, utilisant des ondes de fréquence comparable, basée sur la détection des temps d'arrivée, conduirait à une précision de l'ordre de 5 cm.
Par exemple l'utilisation de ce mode de réalisation dans l'eau (C=1 500 m/s) avec un signal à 1 0 kHz (λ=0.1 5ιη) permet d'obtenir une précision de positionnement typiquement de l'ordre de 1 /30 de longueur d'onde soit 0.5 cm, dix fois mieux qu'une méthode de type base-longue utilisant des ondes de même fréquence telle que décrite ci-dessus. L'invention permet d'obtenir une précision de mesure indépendante de la distance entre l'émetteur et le récepteur, à la connaissance du profil de célérité près.
L'invention permet d'utiliser des ondes acoustiques de fréquence plus basse que les dispositifs antérieurs pour une même précision de mesure.
Par exemple pour obtenir une précision de l'ordre de 0.5 cm avec une méthode basée sur la détection du temps de trajet du signal acoustique, il faut, en supposant un rapport signal bruit (très bon) de 10 dB, utiliser des ondes de largeur de bande supérieure à 10 kHz, soit typiquement de fréquence centrale 50 kHz. L'invention, comme on l'a vu, permet d'obtenir des performances meilleures avec des ondes de fréquence 10 kHz qui se propagent donc beaucoup mieux à grande distance dans le milieu.
L'invention permet donc d'obtenir de très bonnes performances de positionnement à très grande portée avec un gain d'un ordre de grandeur par rapport aux méthodes classiques.
Le dispositif de l'invention ne nécessite pas d'horloge précise pour fonctionner ; une horloge dont la stabilité est de quelques ppm suffit. En particulier le dispositif de l'invention ne nécessite pas de synchroniser l'horloge du récepteur et de l'émetteur pour fonctionner.
Le dispositif de l'invention permet de positionner précisément un mobile sur lequel est fixé un dispositif acoustique fonctionnant uniquement en réception, c'est à dire en écoute passive seule, et donc avec les avantages corrélatifs de discrétion, d'économie d'énergie embarquée, de positionnement de mobiles multiples sur une même zone sans interférences.
Le dispositif de l'invention repose sur des éléments simples couramment utilisés en acoustique et disponibles à bas coût (émetteur et récepteur acoustiques, calculateur).
Le dispositif de l'invention permet d'obtenir de très bonnes performances en utilisant des éléments de petite taille car il ne nécessite pas l'utilisation d'une antenne multi-capteurs.
La description ci-dessus présente la configuration la plus simple du dispositif.
Cette configuration peut être adaptée en fonction du problème à résoudre comme décrit dans les sections suivantes en particulier.
Formes des signaux émis
La forme d'onde des signaux acoustiques utilisés peut être de toute nature utilisée couramment en acoustique : signaux de fréquence pure, signaux modulées en fréquence, signaux modulés en phase etc.
Les signaux peuvent être choisis pour avoir une sensibilité plus ou moins grande au décalage Doppler, laquelle sensibilité peut ensuite être compensée ou pas dans le calcul. Dans le cas où on choisit de compenser cette sensibilité, la compensation se traduit en pratique par une correction des termes λ et/ dans les formules de calcul. Les formes d'onde des signaux acoustiques envoyés successivement par l'émetteur peuvent être différentes sans que cela affecte les formules de calcul à condition que leur fréquence centrale soit la même.
Plus de deux émissions successives peuvent être utilisées et les signaux émis aux cours du temps ainsi que les intervalles de temps entre les différents signaux peuvent être différents.
Nombre d'éléments du dispositif
Le nombre de moyens d'émission acoustiques et/ou de réceptions doit être adapté à la dimension du problème à résoudre ainsi qu'aux autres contraintes de l'environnement.
La Figure 2 représente schématiquement un dispositif acoustique de positionnement selon un mode de réalisation particulier, dans lequel l'émetteur acoustique B1 est fixe et le récepteur acoustique B2 est sur un mobile dont le déplacement est contraint suivant une ligne géométrique. Dans ce cas, il suffit d'utiliser un émetteur et un récepteur pour déterminer entièrement le déplacement du mobile.
La Figure 3 représente schématiquement un dispositif acoustique de positionnement selon un autre mode de réalisation particulier, dans lequel le récepteur acoustique B2 est fixe et l'émetteur acoustique B1 est sur un mobile dont le déplacement est contraint suivant une ligne géométrique. Dans ce cas aussi, il suffit d'utiliser un émetteur et un récepteur pour déterminer entièrement le déplacement du mobile.
La Figure 4 représente schématiquement un dispositif acoustique selon un autre mode de réalisation, dans le cas d'un mobile se déplaçant sur un plan. Dans ce cas, il est nécessaire d'utiliser au moins deux émetteurs fixes B1 et B1 1 et un récepteur B2 sur le mobile pour déterminer entièrement le déplacement du mobile. Alternativement, il est aussi possible d'utiliser au moins un émetteur sur le mobile et deux récepteurs fixes. Dans le cas d'un mobile se déplaçant dans l'espace en trois dimensions, il est nécessaire d'utiliser au moins trois émetteurs et un récepteur ou au moins un émetteur et trois récepteurs pour déterminer entièrement le déplacement du mobile. De même que plus haut on peut placer indifféremment le moyen acoustique d'émission sur le mobile et les moyens de réception acoustique sur des références ou le moyen acoustique de réception sur le mobile et les moyens d'émission acoustique sur des références.
La Figure 5 représente schématiquement un dispositif acoustique selon un autre mode de réalisation, dans le cas d'un mobile comportant un récepteur acoustique et se déplaçant par rapport à une référence fixe comportant un émetteur acoustique. Le mobile comporte un moyen inertiel de mesure du déplacement fournissant d'une part une estimation du déplacement DP dans l'espace entre les deux instants de réception des ondes S1 et S2, et d'autre part une estimation de la direction M bissectrice des directions des vecteurs R1 et R2. Une estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux est donnée par le produit scalaire suivant : (R2 -Rï)AUX = ΌΡ ·ΰ , où « est le vecteur unitaire suivant M orienté de la référence fixe vers le mobile.
Selon encore un autre mode de réalisation, on peut augmenter le nombre de moyens d'émission acoustique ou de réception afin de couvrir une zone plus grande ou d'assurer une redondance du dispositif global.
Utilisation conjointe avec un moyen inertiel de mesure
Comme indiqué plus haut, le dispositif peut être avantageusement combiné à un moyen inertiel de mesure du mouvement. Dans ce cas, il est particulièrement avantageux de réaliser une hybridation entre ces deux moyens.
Une telle hybridation est décrite ci-dessous et illustrée sur la figure 6. Dans cet exemple, on considère un mobile comprenant un récepteur acoustique B2, un calculateur CPU et une centrale inertielle de navigation INS. On suppose qu'un émetteur acoustique est fixé en un point connu et émet des séquences de deux signaux S1 , S2 tels que décrits plus haut.
A chaque instant :
le récepteur acoustique B2 détermine les phases d'arrivée ψι et φ2 respectivement des signaux S1 et S2 et les transmet au calculateur ; la centrale inertielle de navigation INS détermine une valeur de la différence approchée (R2-R1 )Aux du déplacement radial du mobile par rapport à l'émetteur ayant une position connue et transmet cette valeur de la différence approchée (R2-R1 )Aux au calculateur CPU ; comme on peut le voir sur la figure 5, cette valeur de la différence approchée (R2-R1 )Aux est déterminée facilement à partir d'une estimation du déplacement de la centrale inertielle, de sa position initiale et de la position, connue, de l'émetteur ;
- le calculateur détermine suivant le procédé de l'invention, une valeur corrigée (R2-R1 ) du déplacement radial relatif du mobile par rapport à l'émetteur et la transmet à la centrale de navigation inertielle ;
la centrale de navigation inertielle utilise (par exemple grâce à un filtre de Kalman) la valeur corrigée du déplacement relatif (R2-R1 ) afin de corriger l'estimation de ses paramètres internes.
Pour que ce procédé fonctionne, il faut, comme indiqué dans la description de l'invention que l'estimation de la différence approchée (R2-R1 )Aux par la centrale inertielle, soit précise à mieux que une demi longueur d'onde près. Ce besoin de précision permet de déterminer la classe de performance de la centrale inertielle nécessaire.
Par exemple si on suppose que le dispositif fonctionne dans l'eau (C=1500 m/s) avec des signaux de fréquence centrale 10 kHz (λ=0.15ιτι), que le mobile se trouve à une distance de 1000m de l'émetteur et que sa position est connue avec une incertitude de 1 m, il suffit que la centrale inertielle dérive de moins de 7,5 cm entre la réception des deux signaux S1 et S2 pour que le dispositif fonctionne. Dans le cas où l'intervalle de temps entre les signaux S1 et S2 est de l'ordre de 1 seconde, il suffit donc que la centrale inertielle dérive de moins de 7,5 cm en 1 seconde. Des centrales inertielles de navigation de cette classe de performance sont disponibles sur le marché. On peut citer par exemple, la centrale inertielle PHINS de la société iXSea.
Bien entendu si la classe de la centrale inertielle n'est pas suffisante, il est possible, afin d'améliorer ses performances, de l'hybrider par ailleurs avec un autre moyen de positionnement. Par exemple dans une application sous-marine, la centrale inertielle peut être hybridée avec un log doppler.
Outre que la combinaison du procédé de l'invention avec une centrale inertielle de navigation permet d'obtenir les estimations approchées (R2-R1 )Aux nécessaires, l'hybridation comporte aussi un grand nombre d'avantages supplémentaires qui apparaîtront immédiatement à l'homme du métier. En particulier, l'hybridation permet d'obtenir une meilleure performance que la combinaison des deux systèmes. L'hybridation permet d'obtenir des données à haute cadence et non pas de se limiter à la cadence des ondes acoustiques. L'hybridation permet d'obtenir une position précise dans l'espace avec une seule balise de référence en profitant des mouvements du mobile au cours du temps pour résoudre les différentes ambiguïtés.
Enfin, il faut noter qu'un tel système permet de positionner de façon entièrement passive le mobile, et donc avec les avantages corrélatifs de discrétion, d'économie d'énergie embarquée, de positionnement de mobiles multiples sur une même zone sans interférences.
Autres caractéristiques
Dans la description ci-dessus il n'est pas fait référence au moyen déclencheur des émissions acoustiques. Tous les moyens peuvent être utilisés en fonction des autres particularités du système.
Par exemple les émissions acoustiques peuvent être déclenchées par un signal électrique ou acoustique.
Par exemple ce signal électrique ou acoustique peut être envoyé par le moyen utilisé en réception ou par le moyen utilisé en émission dans le dispositif de l'invention.
Les signaux acoustiques transitant entre les différents éléments du système peuvent être porteurs d'information supplémentaires utilisées ou non dans le cadre de la mesure du mouvement.
Par exemple les signaux peuvent contenir des informations sur l'état de l'émetteur et en particulier sur sa position suivant un ou plusieurs des trois axes de l'espace.
Ces informations complémentaires peuvent être utilisées ou pas pour résoudre les ambiguïtés de longueur d'onde.
Les informations de profil de célérité (connaissance de C le long du trajet acoustique) peuvent être déterminées par tout moyen classique et utilisées en temps différé ou en temps réel. Elles peuvent également être estimées conjointement au positionnement.
Applications
Le procédé et le dispositif de l'invention ont de nombreuses applications en particulier dans les domaines de la robotique, de la navigation et de la métrologie.
Par exemple, l'invention et le dispositif peuvent être utilisés pour positionner très précisément les éléments d'un robot de travail par rapport à des éléments de référence dans son environnement.
Par exemple, l'invention et le dispositif peuvent être utilisés pour déterminer précisément les mouvements d'un véhicule évoluant sur une zone préalablement équipée de systèmes de référence. En particulier l'invention et le dispositif peuvent être utilisées pour déterminer les mouvements de robots d'intervention ou de mesure dans des environnements dangereux (mines, environnement radioactif, ...) ou difficilement accessibles (profondeurs marines, zones inhabitées, ...).
Par exemple, l'invention et le dispositif peuvent être utilisés pour réaliser des opérations de métrologie précises à l'aide de systèmes de mesures se déplaçant entre les différents éléments à positionner et dont les mouvements sont déterminés au moyen de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système acoustique de positionnement comprenant des moyens d'émission acoustique (B1 ) et des moyens de réception acoustique (B2), les moyens d'émission acoustique comprenant un émetteur acoustique (B1 ) et une horloge d'émetteur, lesdits moyens d'émission acoustique étant configurés pour émettre une séquence d'au moins un premier signal acoustique S1 et un second signal acoustique S2, de même fréquence acoustique centrale f, séparés par un intervalle temporel T déterminé, lesdits moyens de réception acoustique comprenant un récepteur acoustique (B2) et une horloge de récepteur, lesdits moyens de réception acoustique étant aptes à recevoir et à mesurer la phase d'arrivée ψι du premier signal acoustique S1 et la phase d'arrivée φ2 du second signal acoustique S2 sur ledit récepteur acoustique (B2), lesdites phases d'arrivée ψι , φ2 étant mesurées par rapport à un oscillateur de référence, caractérisé en ce que :
l'horloge d'émetteur et l'horloge de récepteur sont asynchrones,
ledit système comprend des moyens de mesure du déplacement radial relatif entre ledit émetteur acoustique (B1 ) et ledit récepteur acoustique (B2), lesdits moyens de mesure comprenant :
des moyens auxiliaires d'évaluation, avec une précision d'une demi-longueur d'onde, d'une estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux entre, d'une part la distance R1 parcourue par le premier signal acoustique S1 entre ledit émetteur acoustique (B1 ) et ledit récepteur acoustique (B2), et d'autre part la distance R2 parcourue par le second signal acoustique S2 entre ledit émetteur acoustique (B1 ) et ledit récepteur acoustique (B2),
et des moyens de calcul du déplacement relatif (R2-R1) entre ledit émetteur acoustique (B1 ) et ledit récepteur acoustique (B2)en fonction de l'estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux, de l'intervalle temporel T et des phases d'arrivée q)i , φ2 respectivement du premier signal acoustique S1 et du second signal acoustique S2.
2. Système acoustique de positionnement selon la revendication 1 , dans lequel la fréquence acoustique centrale des signaux acoustiques S1 et S2 étant égale àf, les moyens de calcul étant configurés pour déterminer le déplacement relatif (R2-R1) selon les formules suivantes:
Détermination de l'uni ue entier K tel ue :
Figure imgf000017_0001
Calcul de R2 - Rl = Àx—-Àx— + KÀ -Àx (fT - [fT])
2π 2π (π)
où λ représente la longueur d'onde à la fréquence acoustique/et [/T] représente la partie entière du produit de la fréquence acoustique/par l'intervalle temporel T.
3. Système acoustique de positionnement selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les moyens d'émission acoustique comprennent au moins deux émetteurs acoustiques (B1 , B1 1 ) et les moyens de réception acoustique comprennent un récepteur acoustique (B2) et dans lequel le système permet de mesurer le déplacement radial relatif respectivement entre chacun des couples formés d'un émetteur acoustique (B1 , B1 1 ) et du récepteur acoustique (B2).
4. Système acoustique de positionnement selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les moyens d'émission acoustique comprennent un émetteur acoustique (B1 ) et les moyens de réception acoustique comprennent au moins deux récepteurs acoustiques (B2, B22) et dans lequel le système permet de mesurer le déplacement radial relatif respectivement entre chacun des couples formé de l'émetteur acoustique (B1 ) et d'un récepteur acoustique (B2, B22).
5. Système acoustique de positionnement selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les moyens auxiliaires d'évaluation de l'estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux comprennent un moyen de détermination de la vitesse VAUX du déplacement relatif entre ledit émetteur acoustique (B1 ) et ledit récepteur acoustique (B2), basé sur l'estimation du décalage doppler des ondes acoustiques transmises entre ledit émetteur acoustique (B1 ) et ledit récepteur acoustique (B2):
(R2— RY)AUX = VAUXT = ^DOPPLERxT
F
6. Système acoustique de positionnement selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les moyens auxiliaires d'évaluation de l'estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux comprennent un moyen de détermination de la différence (T2- T1 )AUX de temps de trajet respectif des signaux acoustiques S1 et S2 entre ledit émetteur acoustique (B1 ) et ledit récepteur acoustique (B2) selon la formule suivante :
(R2-Rl)AUX c(T2-Tl)AUX où (T2-T1 )AUX est la différence estimée de temps de trajet.
7. Système acoustique de positionnement selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens auxiliaires d'évaluation de l'estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux comprennent un moyen inertiel de mesure de l'estimation du déplacement radial (R2-Rï)AUX , ledit moyen inertiel étant basé sur l'utilisation d'un ou de plusieurs accéléromètres, ou sur l'utilisation d'une ou de plusieurs unités de mesure inertielle comprenant des gyroscopes et des accéléromètres, ou sur l'utilisation d'une ou de plusieurs centrales de navigation inertielle hybridées avec d'autres moyens externes de positionnement.
8. Système acoustique de positionnement l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le produit de l'intervalle temporel T par la vitesse radiale V de déplacement relatif entre l'émetteur acoustique et le récepteur acoustique étant tel que : - < VT < ,
2 2
on peut poser que l'estimation du déplacement radial (R2— Rï)AUX est égal à zéro.
9. Procédé acoustique de positionnement relatif entre des moyens d'émission acoustique (B1 , B1 1 ) et des moyens de réception acoustique (B2), lesdits moyens d'émission acoustique comprenant un émetteur acoustique (B1 ) et une horloge d'émetteur, et lesdits moyens de réception acoustique comprenant un récepteur acoustique (B2) et une horloge de récepteur, l'horloge d'émetteur et l'horloge de récepteur étant asynchrones, ledit procédé comprenant les étapes suivantes:
émission par ledit émetteur acoustique (B1 , B1 1 ) d'une séquence d'au moins un premier signal acoustique S1 et un second signal acoustique S2, de même fréquence acoustique centrale séparés par un intervalle temporel T déterminé par ladite horloge d'émetteur,
réception et mesure de la phase d'arrivée ψι du premier signal acoustique S1 et de la phase d'arrivée φ2 du second signal acoustique S2 sur lesdits moyens de réception acoustique comprenant un récepteur acoustique (B2) et une horloge de récepteur, lesdites phases d'arrivée φ1; φ2 étant mesurées par rapport à un oscillateur de référence, évaluation, avec une précision d'une demi-longueur d'onde, d'une estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux entre, d'une part la distance R1 parcourue par le premier signal acoustique S1 entre l'émetteur acoustique et le récepteur acoustique, et d'autre part la distance R2 parcourue par le second signal acoustique S2 entre l'émetteur acoustique et le récepteur acoustique,
et calcul du déplacement relatif (R2-R1) entre lesdits moyens d'émission acoustique et lesdits moyens de réception acoustique en fonction de l'estimation du déplacement radial (R2-R1 )Aux, de l'intervalle temporel T et des phases d'arrivée q)i , φ2 respectivement du premier signal acoustique S1 et du second signal acoustique S2.
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