FR3082951A1 - Dispositif de detection de position verticale - Google Patents

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Abstract

L'invention porte sur un dispositif de détection de position verticale d'un objet dans un environnement , caractérisé par le fait qu'il comprend un premier module (21) émetteur-récepteur ultra large bande, UWB, un deuxième module (22) émetteur-récepteur UWB, les premier et deuxième modules (21, 22) émetteurs-récepteurs UWB étant sur un même axe vertical et étant configurés pour être fixes dans l'environnement, et un module (3) émetteur-récepteur UWB mobile configuré pour être porté par l'objet, les premier et deuxième modules (21, 22) émetteurs-récepteurs UWB et le module (3) émetteur-récepteur UWB mobile étant configurés pour déterminer une distance (d1, d2) du module (3) émetteur-récepteur UWB mobile par rapport aux premier et deuxième modules (21, 22) émetteurs-récepteurs UWB, le dispositif (1) comprenant en outre un dispositif de calcul (211) configuré pour calculer la position verticale du module (3) émetteur-récepteur UWB mobile à partir des distances (d1, d2) déterminées et des positions des premier et deuxième modules (21, 22) émetteurs-récepteurs UWB.

Description

Description
Titre de l’invention : DISPOSITIF DE DETECTION DE POSITION VERTICALE [0001] La présente invention concerne le domaine de la détection de position, et porte plus particulièrement sur un dispositif de détection de position verticale mettant en œuvre des émetteurs-récepteurs Ultra Large Bande (désignée plus couramment par son acronyme anglais UWB pour Ultra WideBand).
[0002] On connaît des dispositifs de localisation, utilisés notamment mais non exclusivement en intérieur, en temps réel mettant en œuvre des émetteurs-récepteurs UWB. De tels dispositifs sont souvent utilisés pour déterminer une chute de personne. Pour ceci, trois émetteurs-récepteurs UWB fixes (« ancres ») sont disposés dans une pièce et mesurent en temps réel leur distance respective par rapport à un émetteur-récepteur mobile (« balise ») porté par la personne pour laquelle on souhaite être prévenu en cas de chute. A partir des coordonnées des ancres et des distances à la balise mesurée, par Γintermédiaire d’un calcul de trilatération, de tels dispositifs calculent une valeur d’élévation z de la balise.
[0003] Toutefois, un tel calcul conduit à une valeur de coordonnée d’élévation z qui est obtenue par dérivation. Par conséquent, le résultat est systématiquement variable et non précis, voire parfois négatif. Des alternatives connues par multiplication des ancres ou par emploi de baromètres ne résolvent pas le problème d’imprécision.
[0004] Il existe donc un besoin pour un dispositif de détection de position verticale qui soit précis et fiable, tout en conservant une architecture simple.
[0005] Le Demandeur se propose de répondre à ces besoins par l’emploi d’un dispositif de détection de position verticale qui utilise au moins une paire d’ancres et une balise mobile, les ancres et la balise utilisant la technologie UWB, les ancres étant disposées sur un axe vertical.
[0006] L’UWB est une technologie radio à très faible puissance pour des communications sans fil de courte portée et à large bande passante, utilisable sur une grande plage du spectre radio.
[0007] L’UWB utilise des impulsions de courte durée étalées sur un spectre allant de 3,1 GHz à 10,6 GHz. Les impulsions générées par T UWB sont extrêmement courtes et peuvent être mesurées avec une très grande précision. Par des calculs de mesure de « temps de vol » (en anglais « time-of-flight »), les dispositifs UWB permettent d’obtenir un positionnement précis dans une plage de 10 à 30 centimètres.
[0008] La présente invention concerne donc un dispositif de détection de position verticale d’un objet dans un environnement, caractérisé par le fait qu’il comprend un premier module émetteur-récepteur ultra large bande, UWB, un deuxième module émetteurrécepteur UWB, les premier et deuxième modules émetteurs-récepteurs UWB étant sur un même axe vertical et étant configurés pour être fixes dans l’environnement, et un module émetteur-récepteur UWB mobile configuré pour être porté par l’objet, les premier et deuxième modules émetteurs-récepteurs UWB et le module émetteurrécepteur UWB mobile étant configurés pour déterminer une distance du module émetteur-récepteur UWB mobile par rapport aux premier et deuxième modules émetteurs-récepteurs UWB, le dispositif comprenant en outre un dispositif de calcul configuré pour calculer la position verticale du module émetteur-récepteur UWB mobile à partir des distances déterminées et des positions des premier et deuxième modules émetteurs-récepteurs UWB.
[0009] L’environnement peut être tout repère physique ayant un axe vertical. Ainsi, l’environnement peut être une pièce ou un bâtiment. Les premier et deuxième modules émetteurs-récepteurs UWB peuvent alors être disposés sur un mur de la pièce ou du bâtiment, sur un même axe vertical, la position verticale (ou élévation) des premier et deuxième modules émetteurs-récepteurs UWB étant connue.
[0010] L’objet portant le module émetteur-récepteur UWB mobile est à entendre, dans le cadre de la présente invention, au sens large. L’objet peut ainsi être un élément inanimé dont on souhaite connaître la position verticale, par exemple une partie d’un robot, un niveau d’un fluide dans un procédé industriel, mais peut aussi être une personne.
[0011] Les premier et deuxième modules émetteurs-récepteurs UWB et le module émetteurrécepteur UWB mobile sont tous émetteurs et récepteurs, ce qui leur permet d’émettre et de recevoir des données par technologie UWB. L’intérêt est alors qu’il n’est pas nécessaire d’avoir des horloges synchronisées entre le premier module émetteurrécepteur UWB, le deuxième module émetteur-récepteur UWB et le module émetteurrécepteur UWB mobile, ce qui simplifie l’architecture globale du dispositif de détection de position verticale selon l’invention.
[0012] Le module émetteur-récepteur UWB mobile porté par l’objet peut être intégré à l’objet, ou être rapporté de manière amovible sur l’objet, par exemple au moins d’un organe de fixation détachable, type pince ou boucle ou fixation par boucles et crochets ou par clipsage, ou fixé sur l’objet ou moyen d’une bande, d’un cordon ou d’une ceinture. Si l’objet est une personne, le module émetteur-récepteur UWB mobile pourra ainsi être porté à la ceinture de la personne ou autour du coup, étant alors solidaire d’un collier.
[0013] Un tel dispositif est particulièrement adapté pour détecter la chute d’une personne, le module émetteur-récepteur UWB mobile étant porté par la personne pour laquelle on souhaite être informé en cas de chute.
[0014] Selon un mode de réalisation particulier, le module émetteur-récepteur UWB mobile est un transpondeur.
[0015] Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif pour détection de position verticale comprend des moyens de communication à distance connectés au dispositif de calcul et configurés pour transmettre des informations de position verticale à un terminal à distance. Il est ainsi possible de connaître, depuis le terminal à distance configuré pour recevoir les informations transmises par les moyens de communication à distance, la position verticale de l’objet. Ainsi, appliqué à une personne, un proche peut savoir que la personne portant l’objet est tombée. Appliqué à un objet, par exemple une partie d’un robot ou un niveau d’un fluide, un opérateur à distance peut connaître la position verticale et possiblement lancer une intervention en fonction de la position verticale mesurée et transmise par les moyens de communication à distance.
[0016] Les moyens de communication à distance peuvent être avantageusement des moyens de communication sans fil. Bien entendu, bien que ce ne soit pas le mode de réalisation préféré, les moyens de communications pourraient aussi être filaires, l’invention n’étant pas limitée à cet égard. Le module émetteur-récepteur UWB mobile pourrait ainsi être connecté à un terminal distant de manière filaire.
[0017] Les moyens de communication à distance peuvent être choisis parmi des puces de communication à protocole de communication sans fil, notamment mais non exclusivement les protocoles GSM ®, LoRa ®, SigLox ®, Bluetooth ®, ZigBee ®, Z-Wave ®, ainsi que tous protocoles de communication sans fil existants ou futurs compatibles avec la présente invention.
[0018] Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de calcul est au moins l’un parmi un processeur de signaux numériques, DSP, un processeur, un microprocesseur, un microcontrôleur, une matrice prédiffusée programmable, LPGA, et un composant à application spécifique, ASIC.
[0019] Le dispositif de calcul peut être indépendant des premier et deuxième modules émetteurs-récepteurs UWB et du module émetteur-récepteur UWB mobile et communiquer avec eux de manière sans fil ou filaire, ou bien faire partie d’au moins l’un des premier et deuxième modules émetteurs-récepteurs UWB et du module émetteurrécepteur UWB mobile.
[0020] Les premier et deuxième modules émetteurs-récepteurs UWB et le module émetteurrécepteur UWB mobile sont avantageusement alimentés par batterie, pour être autonomes, la batterie étant avantageusement rechargeable. Selon une variante, les premier et deuxième modules émetteurs-récepteurs UWB peuvent être alimentés par le secteur, étant fixes dans l’environnement.
[0021] Pour mieux illustrer l’objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre indicatif et non limitatif, plusieurs modes de réalisation avec référence aux dessins annexés.
[0022] Sur ces dessins :
- [Fig. 1] est une vue schématique d’un dispositif pour détection de position verticale selon un premier mode de réalisation selon une première situation ;
- [Fig. 2] est une vue schématique du dispositif de la [Fig. 1] selon une seconde situation ;
- [Fig. 3] est une vue schématique d’un dispositif pour détection de position verticale selon un second mode de réalisation ; et
- [Fig. 4] est une vue schématique d’une ancre selon la présente invention.
[0023] Sur la [Fig. 1], on peut voir que l’on a représenté de façon schématique, un dispositif pour détection de position verticale 1 selon un premier mode de réalisation. Le dispositif est représenté dans une pièce P et peut illustrer le cas d’un dispositif 1 utilisé pour détecter la chute d’une personne à surveiller.
[0024] Le dispositif 1 comporte une paire 2 d’éléments fixes 21, 22, par la suite dénommés « ancres » ou module émetteur-récepteur UWB. Les modules émetteurs-récepteurs UWB 21, 22 sont disposés sur un axe vertical. Selon le mode de réalisation représenté sur les [Fig. 1] et [Fig. 2], on peut voir que les modules émetteurs-récepteurs UWB 21, 22 sont fixés sur un mur M. Les coordonnées spatiales des modules émetteurs-récepteurs UWB 21, 22 respectives (x21, y21, z21) et (x22, y22, z22), dans un repère orthonormé, sont donc préalablement connues, ainsi que la distance dz les séparant sur l’axe vertical sur lequel ils sont placés.
[0025] Tous moyens de fixation sera envisagé comme par exemple, clou, vis, colle. Par ailleurs, on pourra envisager un dispositif 1 comprenant une barre verticale telle qu’un montant, sur laquelle seront fixés les modules émetteurs-récepteurs UWB 21, 22. Le montant pourra être déplaçable à souhait dans l’espace à surveiller ou pourra faire partie d’un kit pouvant être installé n’importe où. Une telle barre doit être telle qu’elle maintient les modules émetteurs-récepteurs UWB 21, 22 à distance constante l’un de l’autre sur un axe vertical.
[0026] Le dispositif pour détection de position verticale 1 comporte également un élément mobile 3, par la suite dénommé « balise » ou module émetteur-récepteur UWB mobile et qui sera confondu pour ne pas surcharger le dessin avec l’objet qui le porte dans la présente description. Un tel module émetteur-récepteur UWB mobile 3 est destiné à être porté par un objet ou une personne dont on souhaite déterminer l’élévation selon la direction verticale. Ainsi, dans le cas d’un porteur humain, un tel module émetteurrécepteur UWB mobile 3 doit permettre de détecter sa chute du fait de la variation d’élévation détectée du module émetteur-récepteur UWB mobile 3. Le module émetteur-récepteur UWB mobile a pour coordonnées spatiales (x, y, z), dans le même repère orthonormé que les ancres, qui doivent être déterminées en temps réel. Il est bien entendu que le module émetteur-récepteur UWB mobile est dit mobile car il se déplace, en particulier selon l’axe z, avec l’objet qui le porte. Le module émetteurrécepteur UWB mobile est donc mobile avec l’objet, mais non mobile par rapport à l’objet.
[0027] De façon avantageuse, le module émetteur-récepteur UWB mobile 3 comporte des moyens de fixation , par exemple de type clipsage, de façon à pouvoir être attaché aux vêtements ou au cou ou à la ceinture d’une personne.
[0028] Les ancres 21, 22 et la balise 3 sont des dispositifs électroniques fonctionnant selon la technologie UWB (ultrawideband ou bande ultralarge). De façon avantageuse, les ancres 21, 22 et la balise 3 se présentent sous la forme d’un boîtier constitué de deux demi-coques. A l’intérieur du boîtier se trouve une carte mère comportant un émetteurrécepteur UWB, une antenne, de préférence mais non exclusivement une antenne céramique fonctionnant sur la gamme 3,8-8 GHz, une batterie configurée pour alimenter l’émetteur-récepteur. De préférence, au moins l’une des ancres 21, 22 et de la balise 3 comprend également un dispositif de calcul (décrit à la [Fig. 4]) et des moyens de communication à distance (décrit à la [Fig. 4]). En outre, au moins l’une des ancres 21, 22 et de la balise 3 comprend une mémoire.
[0029] On pourra avantageusement, mais non exclusivement, utiliser pour les ancres 21, 22 et la balise 3 des émetteurs-récepteurs Decawave® DW1000 compatibles IEEE 802.15.4-2011.
[0030] De manière particulièrement préférée, les moyens de communication à distance sont choisis parmi des puces de communication à protocole GSM ®, SigFox ®, Bluetooth ®, ZigBee ®, Z-Wave ® et le dispositif de calcul est au moins l’un parmi un processeur de signaux numériques, un processeur, un microprocesseur, un microcontrôleur, une matrice prédiffusée programmable, FPGA, ou un composant à application spécifique, ASIC.
[0031] Nous allons ci-après définir le fonctionnement du dispositif pour détection de position verticale 1.
[0032] Comme on peut le voir sur la [Fig. 1], les ancres 21, 22 sont disposés sur un mur M d’une pièce P. Comme elles sont disposées selon un axe vertical, leurs coordonnées spatiales respectives (x21, y21, z21) et (x22, y22, z22) sont préalablement définies à (0, 0, z21) et (0, 0, z22). Par ailleurs, ainsi, la distance dz entre les ancres 21, 22 est également préalablement connue. Ces valeurs sont enregistrées dans la mémoire du dispositif 1. Cette mémoire du dispositif 1 est entendue de manière large, et peut comprendre la mémoire d’au moins une ancre 21, 22 et/ou de la balise 3, voire une mémoire externe connectée aux ancres 21, 22 et/ou à la balise.
[0033] En utilisation, en particulier lorsqu’elle est portée par une personne, la balise 3 peut se déplacer dans la pièce P et présente donc des coordonnées spatiales variables (x, y,
z). Les émetteurs-récepteurs des ancres 21, 22 envoient un signal UWB. En réponse l’émetteur-récepteur de la balise 3 émet un signal UWB reçu par les ancres 21, 22. Sur le principe de la télémétrie bi-directionnelle (en anglais Two-Way Ranging souvent désignée par son acronyme TWR), le dispositif de calcul mesure le temps de vol des signaux radio et donc calcule, leur vitesse étant connue, les distances respectives dl et d2 des ancres 21, 22 par rapport à la balise 3. Le dispositif de calcul calcule ensuite la valeur d’élévation de la balise 3 (coordonnée z) par la résolution des deux équations (1) et (2) suivantes :
[0034] x2 + y2 + (z - dz)2 = dj (équation (1)) [0035] x2 + y2 + z2 = d2 2 (équation (2)) [0036] En effet, (1 ) - (2) (z - dz)2 - z2 = di2 - d?2 soit, -2zdz + dz 2 = di2 - ds2 . Ll. U U « et donc z = —---—— .
[0037] Un tel calcul permet ainsi de déterminer en temps réel et avec précision la position verticale de la balise 3.
[0038] En cas de chute du porteur (humain ou objet), comme représenté sur la situation de la [Fig. 2], le dispositif de calcul calculera un valeur z’ qui, si elle est inférieure à une valeur seuil prédéterminée et enregistrée dans la mémoire, activera les moyens de communication à distance. Ceux-ci enverront un signal d’alerte à un serveur à distance pour prévenir de la chute du porteur.
[0039] On peut également prévoir que la valeur z mesurée soit émise régulièrement à un serveur à distance. Lorsque la balise 3 est portée par une personne, cette émission régulière peut permettre une analyse comportementale de la personne qui porte la balise 3.
[0040] De préférence, dans une application à la surveillance d’une personne âgée portant la balise 3, la mesure de z est effectuée avec une fréquence de 20 à 25 s. Pour une personne plus active portant la balise 3, par exemple un travailleur isolé, la mesure de z est effectuée avec une fréquence quelques secondes, par exemple 5s.
[0041] De préférence, la fréquence UWB employée se situe dans la plage de 3,5 GHz à 6,5 GHz.
[0042] Les flux de données peuvent être de 110 kpbs, 850 kbps ou 6,8 Mbps.
[0043] La plage de communication étendue peut théoriquement aller jusqu’à 290 m à un débit de 110 kbps.
[0044] Avec un tel dispositif, la précision de calcul de z est d’environ 10 cm.
[0045] Sur la [Lig. 3], on peut voir que l’on a représenté un dispositif pour détection de position verticale 101 selon un second mode de réalisation.
[0046] Le dispositif 101 est similaire au dispositif 1 selon le premier mode de réalisation décrit ci-dessus. Les éléments du dispositif identiques ou analogues aux éléments du dispositif du premier mode de réalisation décrits en référence à la [Lig. 3] porteront le même chiffre de référence augmenté de 100, et ne seront pas décrits plus en détail ici.
[0047] Le dispositif 100 comporte une première paire 102 d’ancres 121, 122, une seconde paire 104 d’ancres 141, 142 et un élément mobile 103. Les ancres 141, 142 de la seconde paire 104 sont également disposés sur un axe vertical.
[0048] Les composants du dispositif 101 selon le second mode de réalisation fonctionnent de la même façon que les composants du dispositif 1 selon le premier mode de réalisation. Dans une telle configuration, la seconde paire d’ancres 104 permet de conforter la précision du résultat de mesure d’élévation z.
[0049] Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, les ancres peuvent également mesurer la distance dz, et ce de la même façon que pour la balise.
[0050] De façon particulièrement préférée, une seule ancre comporte le dispositif de calcul, la mémoire et les moyens de communication à distance.
[0051] En variante, on peut envisager le fonctionnement des ancres en récepteur et le fonctionnement de la balise en émetteur. Dans ce cas, le calcul de distance ancre/balise est réalisé par différence de temps d’arrivée (en anglais TDoA acronyme de Time Difference of Arrivai) et nécessite un câblage entre les éléments fixes pour synchronisation des horloges entre les ancres et la balise.
[0052] Selon une autre variante, les éléments fixes fonctionnent en émetteur-récepteur et l’élément mobile fonctionne en récepteur.
[0053] Si l’on se réfère à la [Lig. 4], on peut voir que l’on a représenté schématique une ancre 21.
[0054] L’ancre comprend un dispositif de calcul 211, de la mémoire 212, qui peut être indépendante du dispositif de calcule ou intégrée à celui-ci, un émetteur récepteur UWB 213, des moyens de communication à distance 214, qui comme la mémoire 212 peuvent être indépendants du dispositif de calcul ou être intégrés à celui-ci, et une antenne UWB 215, l’ensemble étant alimenté par une batterie 216, permettant une autonomie de la balise 21.
[0055] Le dispositif de calcul 211 pilote les différents éléments de l’ancre 21.
[0056] Il est bien entendu que l’ancre pourrait aussi ne comprendre que l’émetteur récepteur UWB 213, des moyens de communication à distance 214 et de la mémoire, pour être piloté par un dispositif de calcul externe.
[0057] De même, une ancre 21 ou 22 peut comprendre le dispositif de calcul, tout comme la balise 3.
[0058] Les moyens de communication à distance permettent de communiquer avec un terminal à distance T.
[0059] La balise 3 comprendra avantageusement un moyen, type bouton poussoir, pour activer une communication à distance avec le terminal distant, type communication vocale, pour communiquer avec une personne externe, lorsque le dispositif de l’invention est utilisé pour détecter une chute de personne.

Claims (1)

  1. Revendications [Revendication 1] Dispositif (1 ; 100) de détection de position verticale d’un objet dans un environnement, caractérisé par le fait qu’il comprend un premier module (21) émetteur-récepteur ultra large bande, UWB, un deuxième module (22) émetteur-récepteur UWB, les premier et deuxième modules (21, 22) émetteurs-récepteurs UWB étant sur un même axe vertical et étant configurés pour être fixes dans l’environnement, et un module (3) émetteur-récepteur UWB mobile configuré pour être porté par l’objet, les premier et deuxième modules (21, 22) émetteurs-récepteurs UWB et le module (3) émetteur-récepteur UWB mobile étant configurés pour déterminer une distance (dl, d2) du module (3) émetteur-récepteur UWB mobile par rapport aux premier et deuxième modules (21, 22) émetteurs-récepteurs UWB, le dispositif (1) comprenant en outre un dispositif de calcul (211) configuré pour calculer la position verticale du module (3) émetteur-récepteur UWB mobile à partir des distances (dl, d2) déterminées et des positions des premier et deuxième modules (21, 22) émetteurs-récepteurs UWB. [Revendication 2] Dispositif (1) de détection de position verticale selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le module (3) émetteur-récepteur UWB mobile est un transpondeur. [Revendication 3] Dispositif (1) de détection de position verticale selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu’il comprend des moyens de communication à distance (214, 215) connectés au dispositif de calcul (211) et configurés pour transmettre des informations de position verticale à un terminal à distance (T). [Revendication 4] Dispositif (1) de détection de position verticale selon la revendication 3, caractérisé par le fait les moyens de communication à distance (214) sont choisis parmi des puces de communication à protocole de communication sans fil. [Revendication 5] Dispositif (1) de détection de position verticale selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le dispositif de calcul (211) est au moins l’un parmi un processeur de signaux numériques, DSP, un processeur, un microprocesseur, un microcontrôleur, une matrice prédiffusée programmable, FPGA, et un composant à application spécifique, ASIC.
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