FR3135534A1 - Système de positionnement par modulation externe à haute fréquence d’intensité lumineuse - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un procédé et un appareil de positionnement en espace tridimensionnel d’objets (4). La position des objets (4) est calculée par référence à la position de sources lumineuses (2) émettant une lumière d’intensité non intentionnellement modulée. L’appareil de positionnement comprend au moins un dispositif de modulation de l’intensité lumineuse, associé à chaque source lumineuse (2), et un récepteur optique (3) ainsi qu’un système électronique de traitement, associés à l’objet (4) à positionner. Des signaux électriques sont appliqués aux dispositifs de modulation pour moduler en intensité tout ou partie de la lumière émise par chaque source lumineuse (2). Les signaux électriques modulants, spécifiques à chaque source lumineuse (2), permettent d’identifier les sources lumineuses (2). La modulation par un dispositif de modulation externe permet de moduler l’intensité lumineuse à haute fréquence. Le récepteur optique (3) reçoit la lumière modulée et l’électronique de traitement identifie les sources lumineuses (2) ainsi que les directions de visée de chaque source lumineuse (2) depuis l’objet (4). La position de l’objet (4) est alors déterminée relativement à la position des sources lumineuses (2).
Description
La présente invention concerne le domaine du positionnement d’objets (4) relativement à des sources lumineuses (2), indépendamment de tout système de positionnement par satellites.
La précision du positionnement GPS (pour « Global Positioning System »), ou d’autres systèmes de Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites (GNSS) évolue dans le temps et n’est pas suffisamment fiable dans certaines zones où les signaux sont affectés par le terrain, les bâtiments, les tunnels ou les conditions météorologiques. D’autre part, les signaux GPS ne pénètrent pas suffisamment les bâtiments pour être utilisés en intérieur.
D’autres techniques de positionnement sans système de positionnement par satellites, en particulier en intérieur, existent, par exemple utilisant les systèmes de communications sans fil comme le WiFi ou le Bluetooth. De même, le principe du positionnement d’objets ou de personnes utilisant la lumière est bien connu de l’état de la technique. Le positionnement relativement à des sources lumineuses a l’avantage d’être plus précis que celui utilisant les systèmes de communications sans fil, de ne pas souffrir des perturbations électromagnétiques, de ne pas générer de perturbations électromagnétiques, point critique par exemple en milieux hospitalier ou industriel, et de pouvoir exploiter les sources lumineuses d’éclairage installées.
L’utilisation de différentes grandeurs physiques des systèmes d’éclairage pour identifier un luminaire et se référer à sa position est connue de l’état de la technique : modulation de la polarisation de la lumière émise à l’aide d’un polariseur à cristaux liquides, mesure de la distance de l’objet aux luminaires par la mesure de la puissance lumineuse reçue par l’objet et calcul de trilatération, utilisation d’une centrale inertielle associée à la mesure de la puissance lumineuse reçue par l’objet, utilisation d’une source laser, exploitation des ombres et des réflexions, etc. (cf. « Recent Advances in Indoor Localization via Visible Lights: A Survey », A B M Mohaimenur Rahman et al., Sensors 2020, 20, 1382, doi:10.3390/s20051382).
Mais la méthode de positionnement utilisant des sources lumineuses la plus simple à mettre en oeuvre tout en étant précise est la modulation de l’intensité lumineuse des sources pour les identifier, la mesure des angles de visées de ces sources vues depuis l’objet à positionner, puis un calcul de triangulation pour déterminer la position relative de l’objet aux sources lumineuses. Cette méthode ne nécessite pas de source laser ni de centrale inertielle et sa précision n’est pas tributaire de la puissance lumineuse reçue, donc des réflexions parasites.
La plupart des systèmes d’éclairage actuels sont constitués de tubes fluorescents, lampes fluocompactes et/ou de diodes électroluminescentes (DELs). Les DELs ont l’avantage d’une longue durée de vie, jusqu’à une vingtaine d’années et d’une faible consommation d’énergie électrique mais surtout de permettre la modulation de leur intensité lumineuse par la modulation du courant les traversant. C’est pourquoi les DELs sont utilisées dans la plupart des systèmes de positionnement à l’aide de sources lumineuses. Cependant, les temps de commutation des DELs de puissance restent relativement importants, donc la fréquence de modulation de l’intensité lumineuse des DELs reste relativement faible et ce, d’autant plus que les puissances en jeu sont élevées. Des expériences de transmissions de centaines de Mb/s voire dépassant le Gb/s ont certes été rapportées, mais au prix d’une complexité de mise en oeuvre (formats de modulation complexes, pré- et post égalisation, filtrage optique, puissance lumineuse réduite, etc.) incompatible avec une modulation d’intensité lumineuse binaire (OOK) qui permettrait une utilisation simple des systèmes d’éclairage à DELs disponibles dans le commerce.
Quant aux tubes fluorescents et lampes fluocompactes, leur principe de fonctionnement ne permet pas de moduler leur intensité lumineuse en modulant simplement la puissance électrique qui leur est fournie. Ils ne peuvent donc pas, dans l’état de la technique actuel, être utilisés pour ce positionnement par modulation d’intensité lumineuse.
Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un système de positionnement, relativement à la position de sources lumineuses (2), par modulation externe d’intensité lumineuse et triangulation :
- à haute fréquence de modulation de la lumière, permettant le calcul rapide du positionnement d’un objet (4) et par conséquent son déplacement rapide ;
- permettant une adaptation à une source de lumière quelconque, visible ou invisible (par exemple infrarouge ou ultraviolette), artificielle (produite par des DELs, des tubes fluorescents, des lampes fluocompactes ou autres) ou naturelle (par exemple un puits de jour), en intérieur ou extérieur ;
- permettant une mise en oeuvre simple sur tous les types de systèmes d’éclairage existants, sans infrastructure coûteuse à installer.
L'invention est caractérisée en ce que au moins un émetteur (1) est associé à chaque source lumineuse (2) et un récepteur (3) est associé à chaque objet (4) à positionner.
La lumière émise par chaque source lumineuse (2) est non intentionnellement modulée à la sortie de la source lumineuse (2). Elle peut être visible ou invisible , artificielle ou naturelle. Cette lumière est modulée à haute fréquence (100 MHz et au-delà) par l’émetteur (1). La modulation haute fréquence est rendue possible par le fait qu’elle est effectuée sur la lumière émise en sortie de la source lumineuse (2) et non sur le courant traversant la source lumineuse (2). Chaque source lumineuse (2) est identifiée par des caractéristiques fréquentielles différentes de la modulation de son intensité lumineuse. Les interférences entre les signaux lumineux émis par l’émetteur (1) sont ainsi évitées.
Le récepteur (3) capte la lumière émise par les différents émetteurs (1). Il identifie les sources lumineuses (2) par les caractéristiques fréquentielles de leur modulation d’intensité tout en mesurant les directions de visée de chaque source lumineuse (2) depuis l’objet (4). La représente une vue schématique du dispositif selon l'invention, dans le cas simplifié de trois sources lumineuses (2) dans un espace à deux dimensions. A partir de la mesure des angles de visée des sources lumineuses (2) depuis l’objet (4), un calcul de triangulation est effectué par le récepteur (3) pour déterminer la position de l’objet relativement à la position des sources lumineuses (2). La montre un exemple de détermination de la position de l’objet (4) à partir des angles de visée, 55°et 40°, des sources lumineuses (2) depuis l’objet (4). Cette position est à l’intersection de l’arc capable défini par l’angle de visée 55° (arc capable tracé à tirets longs sur la ) et de l’arc capable défini par l’angle de visée 40° (arc capable tracé à tirets courts sur la ). Plus la fréquence de modulation est élevée et plus la détermination de la position de l’objet (4), relativement aux sources lumineuses (2), peut être effectué rapidement.
Les angles de visée selon lesquels les sources lumineuses (2) sont vues depuis l’objet (4) sont reliés aux coordonnées cartésiennes selon des relations du type (cf. ) :
L’objet (4) peut utiliser cette information de position pour suivre une trajectoire programmée dans son récepteur (3) ou transmise à l’objet (4) via une interface de communication. L’objet (4) peut aussi transmettre sa position via une interface de communication.
Chaque émetteur (1) associé à une source lumineuse (2) est constitué d’un modulateur électro-optique rapide et d’un circuit électronique de commande. Contrairement aux dispositifs à cristaux liquides, le modulateur électro-optique est caractérisé par sa capacité à fonctionner à haute fréquence. L’émetteur (1) est simplement fixé sur la surface de la source lumineuse (2). Dans un autre mode de réalisation, l’émetteur (1) est intégré à l’intérieur du luminaire contenant la source lumineuse (2) lors de la fabrication du luminaire. L’émetteur (1) peut être alimenté par la même alimentation électrique que la source lumineuse (2) ou par une autre source d’alimentation électrique.
Le récepteur (3), fixé sur l’objet (4) à positionner, comporte des éléments dioptriques de formation d'image sur une matrice de capteurs opto-électroniques ou sur tout autre ensemble de capteurs opto-électroniques placés dans un plan image proche du plan focal et associés à une électronique de conditionnement ainsi qu’à une électronique de traitement du signal de sortie des capteurs. Selon une variante de l’invention, les capteurs opto-électroniques sont des photodiodes suffisamment rapides pour permettre la démodulation du signal lumineux modulé à haute fréquence.
L’électronique de traitement du signal de sortie des capteurs est constituée d’au moins un module de calcul. Le module de calcul peut être réalisé sous forme logicielle et/ou matérielle. Le module de calcul peut consister en un microprocesseur accompagné de périphériques, en un microcontrôleur, en un réseau de portes logiques programmables ou FPGA (« Field-Programmable Gate Array), en un circuit intégré spécifique ou ASIC (« Application-Specific Integrated Circuits), ou toute association de ces éléments. Le module de calcul détermine la position de l’objet (4) à partir du signal de sortie des capteurs opto-électroniques.
La mise en oeuvre de l’invention ne nécessite pas d’infrastructure coûteuse à installer et est très peu intrusive sur l’infrastructure existante. Il suffit de déployer les émetteurs (1) sur les sources lumineuses (2) et de noter leur localisation dans l’espace tridimensionnel selon un système de coordonnées quelconque. Les émetteurs (1) peuvent être installés facilement sans modification de la source lumineuse (2) ou de son alimentation électrique. Il suffit de fixer l’émetteur (1) à la surface de la source lumineuse (2) de sorte qu’au moins une partie du flux lumineux de la source lumineuse atteigne le modulateur de l’émetteur (1).
L’émetteur (1) peut être alimenté par la même alimentation électrique que la source lumineuse (2) ou par une autre source d’alimentation électrique. Selon une variante de l’invention, l’émetteur (1) peut prendre la forme d’un adaptateur à insérer entre la source lumineuse (2) et son connecteur d’alimentation électrique de façon à alimenter électriquement l’émetteur (1) par le connecteur d’alimentation électrique de la source lumineuse (2) et à alimenter la source lumineuse (2) à travers l’émetteur (1).
Selon une variante de l’invention, la source lumineuse (2) et l’émetteur (1) sont intégrés dans un même bloc-luminaire à la fabrication du bloc-luminaire. Ce bloc-luminaire peut produire, à la fois, le flux lumineux nécessaire à l’éclairage et le flux lumineux modulé nécessaire au positionnement de l’objet (4).
Selon un mode de réalisation, les coordonnées de la trajectoire à suivre sont enregistrées dans le récepteur (3) sur l’objet (4) ou transmises à l’objet (4) via une interface de communication. L’objet (4) calcule sa position à partir des signaux lumineux captés par le récepteur (3) et la fait correspondre à la trajectoire à suivre.
Dans un autre mode de réalisation, l’objet (4) calcule sa position à partir des signaux lumineux captés par le récepteur (3) et transmet sa position à un dispositif de suivi de l’objet via une interface de communication.
Selon une variante de l’invention, plusieurs objets (4), fixes ou mobiles, peuvent être positionnés simultanément relativement aux sources lumineuses (2).
Dans un mode de réalisation, cette invention peut être employée au positionnement et/ou à la navigation, en intérieur, de véhicules roulants, robots, véhicules aériens sans pilote (appelés couramment « drones »), ou tout autre objet nécessitant un tel positionnement ou une telle navigation et/ou leur suivi.
Dans un autre mode de réalisation, cette invention peut être employée au positionnement et/ou navigation, en extérieur, de véhicules roulants, robots, véhicules aériens sans pilote, ou tout autre objet nécessitant un tel positionnement ou une telle navigation et/ou leur suivi. Les sources lumineuses de référence peuvent être celles de l’éclairage public. Cette invention peut venir en complément d’un système de positionnement global (GPS) pour améliorer la précision du positionnement d’un véhicule. Alternativement, cette invention peut venir en remplacement d’un système de positionnement global défaillant (tunnel, mauvaises conditions météorologiques, etc.)
La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.
Claims (6)
- Dispositif de positionnement (1, 3) d’objets (4), fixes ou mobiles, relativement à la position de sources lumineuses (2), comprenant :
- des émetteurs de lumière (1) associés à des sources lumineuses (2) de sorte qu’au moins une partie du flux lumineux des sources lumineuses atteigne les émetteurs (1),
- un récepteur de lumière (3), mécaniquement solidaire de chaque objet (4) à positionner, opérant un calcul de triangulation pour déterminer la position de l’objet relativement à la position des sources lumineuses (2),
- les émetteurs (1) effectuent une modulation externe de l’intensité lumineuse des sources lumineuses (2), c’est à dire que la modulation est effectuée sur la lumière émise en sortie des sources lumineuses (2) et traversant les émetteurs (1),
- chaque émetteur (1) associé à une source lumineuse (2) a des caractéristiques fréquentielles de modulation de l’intensité lumineuse propres,
- chaque source lumineuse (2) est identifiée spécifiquement par les caractéristiques fréquentielles de la modulation de son intensité lumineuse,
- chaque récepteur (3) capte la lumière modulée émise par les différents émetteurs (1) et identifie les sources lumineuses (2) par les caractéristiques fréquentielles de leur modulation d’intensité lumineuse tout en mesurant les directions de visée de chaque source lumineuse (2) depuis l’objet (4).
- Dispositif de positionnement (1, 3) selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque émetteur (1) associé à une source lumineuse (2) est constitué d’un dispositif de modulation électro-optique et d’un circuit électronique de commande.
- Dispositif de positionnement (1, 3) selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que chaque émetteur (1) est fixé à l’extérieur du luminaire contenant la source lumineuse (2) et est alimenté par une source d’alimentation électrique propre.
- Dispositif de positionnement (1, 3) selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que chaque émetteur (1) est intégré à l’intérieur du luminaire contenant la source lumineuse (2) et est alimenté par la même alimentation électrique que la source lumineuse (2).
- Dispositif de positionnement (1, 3) selon la revendication 1 caractérisé en ce que le récepteur (3) comporte des éléments dioptriques de formation d'image sur des capteurs opto-électroniques placés dans un plan image proche du plan focal et associés à une électronique de conditionnement et de traitement du signal de sortie des capteurs. L’électronique de traitement du signal de sortie des capteurs est constituée d’au moins un module électronique de calcul. Le module électronique de calcul détermine la position de l’objet (4), relativement à la position des sources lumineuses (2), à partir du signal de sortie des capteurs opto-électroniques.
- Equipement de suivi et/ou de contrôle de trajectoire d’objets (4) comprenant un dispositif de positionnement (1, 3) selon l’une des revendications précédentes.
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