FR2817973A1 - Methode de detection et de positionnement d'objets basee sur deux etapes de formation numerique de faisceaux d'un reseau phase de capteurs - Google Patents
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Abstract
Cette méthode détermine la position d'un objet en temps réel en utilisant un réseau de capteurs ultrasonores comprenant plusieurs récepteurs et comporte les étapes suivantes : - envoyer un signal ultrasonore pour détecter l'objet,- recevoir l'onde réfléchie par l'objet détecté,- transformer l'onde reçue en une pluralité de signaux de détection, ladite pluralité de signaux de détection consistant en un signal de détection pour chaque récepteur, - déterminer la distance et une estimation de la position angulaire de l'objet par une première formation de faisceaux appliqué aux signaux de détection.Selon l'invention, la méthode comporte en outre les étapes suivantes : - extraire les signaux correspondant aux distances de détection déterminées par la première étape de formation de faisceaux,- normaliser et ensuite additionner les signaux de détection sélectionnés après les avoir retardés, - déterminer l'angle de l'objet par rapport audit réseau d'antennes de capteurs par une deuxième formation de faisceaux appliquée auxdits signaux de détection normalisés, - appliquer un seuil de détection fixe sur la sortie de la deuxième étape de formation de faisceaux, ce seuil dépendant du nombre de capteurs du réseau de réception, pour trouver le maximum des signaux de détection.
Description
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METHODE DE DETECTION ET DE POSITIONNEMENT D'OBJETS
BASEE SUR DEUX ETAPES DE FORMATION NUMERIQUE
DE FAISCEAUX D'UN RESEAU PHASE DE CAPTEURS
La présente invention concerne une méthode de détermination d'une position d'un objet au moyen de la technologie de formation de faisceaux en temps réel. Une telle détermination de position d'objet pourrait, par exemple, se faire dans le domaine de l'assistance au parcage de véhicules. Un ou plusieurs réseaux de capteurs ultrasonores à commande de phase sont utilisés pour envoyer et/ou recevoir des ondes ultrasonores. Après émission, ces ondes entrent en contact avec un objet, et les ondes réfléchies reçues permettent de déterminer la distance et l'angle par rapport à l'objet, c'est-à-dire la position de l'objet.
BASEE SUR DEUX ETAPES DE FORMATION NUMERIQUE
DE FAISCEAUX D'UN RESEAU PHASE DE CAPTEURS
La présente invention concerne une méthode de détermination d'une position d'un objet au moyen de la technologie de formation de faisceaux en temps réel. Une telle détermination de position d'objet pourrait, par exemple, se faire dans le domaine de l'assistance au parcage de véhicules. Un ou plusieurs réseaux de capteurs ultrasonores à commande de phase sont utilisés pour envoyer et/ou recevoir des ondes ultrasonores. Après émission, ces ondes entrent en contact avec un objet, et les ondes réfléchies reçues permettent de déterminer la distance et l'angle par rapport à l'objet, c'est-à-dire la position de l'objet.
Chaque émetteur diffuse un signal, et les signaux réfléchis sont reçus par les récepteurs. La mesure du temps de vol des ondes entre le signal transmis et reçu après une détection basée sur une formation de voie permet de déterminer la distance jusqu'à l'objet en considérant une vitesse du son constante sur le trajet aller-retour des ondes.
Le diagramme de directivité de l'onde générée comporte un lobe principal et plusieurs lobes secondaires. Pour un réseau de transducteurs ultrasonores linéaire, la directivité du faisceau dépend du nombre de transducteurs et de la fréquence du signal émis, ou autrement dit de la longueur d'onde X, ainsi que des caractéristiques des transducteurs telles que leur diamètre.
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La distance angulaire entre les lobes dépend de la distance entre les transducteurs du réseau. Il est souhaitable d'avoir un lobe principal avec une puissance maximale, et d'avoir des lobes secondaires avec des puissances minimales afin d'éviter des interférences et donc d'augmenter la qualité du réseau. De préférence, la distance entre les transducteurs d'un réseau est de A/2 pour optimiser le diagramme de directivité, et la fréquence est de l'ordre de 40 kHz pour éviter une trop forte atténuation des ondes avec la distance. Pour plus de détails on pourra se référer au document EP-A-0 898 175 au nom de la présente Demanderesse.
Pour déterminer l'angle entre la position de l'objet et Se l'axe perpendiculaire au réseau de capteurs, les méthodes connues utilisent le principe de formation de faisceaux à la réception, connu par l'acronyme anglais de BFR ("Beam Forming on Reception"). Selon ce principe, l'onde réfléchie par l'obstacle est reçue par les récepteurs et est ensuite transformée par ceux-ci en des signaux analogiques. Ces signaux analogiques sont numérisés, et une unité de traitement numérique calcule la direction de l'onde reçue sur la base de la différence de phase entre chaque récepteur. Le principe repose sur l'application d'un retard adapté aux signaux reçus par chaque récepteur suivi de l'addition de ces signaux modifiés. Le balayage des diverses possibilités de retard correspondant à chaque angle potentiel de l'objet rend possible la détermination de l'angle de l'objet par rapport à l'axe du réseau de capteurs en identifiant la position du signal résultant du procédé ayant la valeur maximale. En général, un seuil de détection est utilisé pour éliminer les signaux résultant de la réception d'un bruit ou d'un signal indésirable (écho de la route notamment).
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La figure 1 montre le principe de la méthode BFR. On présume qu'un objet est positionné à un angle 0 par rapport au plan perpendiculaire au réseau capteurs. Après émission, une onde réfléchie, supposée plane sous l'hypothèse dite du champ lointain, est renvoyée par l'objet à une vitesse c. Le réseau comporte un nombre M de récepteurs qui sont chacun espacés d'une distance d.
Donc, chaque récepteur m reçoit un signal Sm retardé (ou avancé) par rapport au capteur voisin m+l d'un intervalle de temps T tel que :
D'une manière plus générale, en notant le capteur en bout de réseau avec l'indice 0, le capteur d'indice m reçoit l'onde réfléchie par l'objet avec un retard par rapport à l'instant d'émission tel que :
où To=2D/c est le temps de parcours des ondes aller- retour du système à l'objet, et
D est la distance de l'objet au système Sur chaque capteur le signal reçu s'exprime en fonction du signal émis tel que : Sm (t) = Se (tTo +mT) [33 où se (t) est le signal émis à l'instant t.
D'une manière plus générale, en notant le capteur en bout de réseau avec l'indice 0, le capteur d'indice m reçoit l'onde réfléchie par l'objet avec un retard par rapport à l'instant d'émission tel que :
où To=2D/c est le temps de parcours des ondes aller- retour du système à l'objet, et
D est la distance de l'objet au système Sur chaque capteur le signal reçu s'exprime en fonction du signal émis tel que : Sm (t) = Se (tTo +mT) [33 où se (t) est le signal émis à l'instant t.
On définit le signal de sortie de l'unité de formation de faisceaux, après addition des signaux reçus, comme
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Pour la valeur de T= topt correspondant à la position angulaire de l'objet on obtient :
Il s'en déduit que les valeurs de t et T pour lesquelles la valeur absolue de z (t, 1 z (t,-c) 1, présente un maximum permettent donc de calculer la distance et la position angulaire des objets détectés. Pour plus de détails sur ce principe, on se réfère au document Array Signal Processing , Don H. Johnson & Dan E, Dudgeon, page 111,1993.
Dans la mesure où le signal d'émission est un signal qui module une fréquence porteuse F de l'ordre de 40 kHz de pulsation o= 2F, il est possible d'écrire :
où l'exposant b indique le signal en bande de base, et
Re indique la partie réelle du signal complexe.
où l'exposant b indique le signal en bande de base, et
Re indique la partie réelle du signal complexe.
Il est possible, pour cette configuration de signal d'émission de réaliser les calculs sur le signal en bande de base, ce qui justifie l'utilisation et l'intérêt de l'étape de démodulation proposée sur la figure 2 qui montre le principe de la démodulation des signaux reçus par le réseau de transducteurs Il est à noter que cette démodulation est connue en soi.
Pour les mêmes raisons qu'exprimées précédemment, nous avons à la réception :
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ce qui permet d'écrire :
d'où l'on déduit :
d'où l'on déduit :
En considérant les relations [4] et [9] et-en adoptant la notation précédemment utilisée suivante :
il vient
qui se traduit par (en considérant [10]) :
il vient
qui se traduit par (en considérant [10]) :
Sous l'hypothèse que, dans un intervalle de temps me, l'enveloppe du signal reçu varie de façon négligeable on peut écrire :
La relation [12] est l'expression de la formation de faisceaux en bande de base qui est utilisée dans la présente invention.
En développant la relation [3] comme suit :
on obtient :
qui comparée à la relation [7] donne :
en faisant la même hypothèse que pour l'obtention de [12].
on obtient :
qui comparée à la relation [7] donne :
en faisant la même hypothèse que pour l'obtention de [12].
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Pour la valeur de Topt correspondant à la position angulaire de l'objet on obtient, injectant de [14] dans [12], :
qui donne finalement :
dont une propriété est :
qui donne finalement :
dont une propriété est :
La relation [16] exprime le fait que par le calcul de la formation de voie en bande de base on obtient la même propriété que sur le signal modulé, à savoir que le maximum du module de Zb (t, T), tzb (t, T) 1, est maximal lorsque les valeurs de t et de T correspondent à la position de l'objet.
Toutefois, l'amplitude du signal reçu varie non seulement en fonction de la nature de l'objet, mais aussi en fonction de la distance de celui-ci, du type de revêtement de sol et des conditions météorologiques telles que la force et/ou la direction du vent. En effet, l'amplitude des signaux peut varier d'un facteur 10 simplement en raison de l'influence du vent. En pratique, il est possible de modifier le seuil de détection pour tenir compte de ces variations, mais si les variations sont trop importantes ou trop rapides, cette manière de procéder n'est pas satisfaisante. En effet, si le seuil de détection est choisi relativement haut, l'éventualité de détection de l'objet diminue, c'est-à-dire la sensibilité sera petite, parce que le signal risque d'être considéré comme du bruit. Par contre, si le seuil est choisi trop bas, la sensibilité sera trop grande,
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c'est-à-dire il Y aura des fausses alarmes dues à la détection d'une variation du bruit.
La résolution de la détermination de l'angle dépend de la directivité du lobe principal et du nombre de cas de retards explorés pendant le balayage précédemment décrit. Un diagramme de directivité présentant un lobe principal fin permet une détermination plus précise de la position mais nécessite un plus grand nombre de capteurs et une capacité de traitement numérique du signal plus importante (puissance du processeur et mémoire) pour pouvoir effectuer les calculs en temps réel. Par contre, un diagramme de directivité présentant un lobe principal plus large permettra une couverture plus rapide de l'espace, et donc moins de calculs, mais ne pourra pas conduire à une bonne précision pour le cas d'un environnement bruité dans la mesure où la position du maximum sera obtenue de façon d'autant plus approximative que le lobe principal du digramme de directivité est large. Dans tous les cas, compte tenu des contraintes de spécifications d'un produit industriel, le résultat ne conduit qu'à une résolution angulaire possible limitée ne pouvant difficilement être meilleure que 5 .
Un des buts de la présente invention est de remédier à ces inconvénients par une méthode de détermination d'une position utilisant la technologie de formation de faisceaux en temps réel qui est précise, rapide et peu onéreuse, permettant l'utilisation d'un système de calcul sur la base de cette méthode dans les applications en temps réel telles que les applications dans le domaine automobile. En effet, dans ces applications, les contraintes d'encombrement du système, de la puissance de calcul, et la possibilité de donner des résultats fiables et précis et en temps réel est extrêmement importantes.
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Ce but ainsi que d'autres sont atteints grâce à une méthode de détermination d'une position d'un objet en temps réel en utilisant un réseau de capteurs ultrasonores comprenant M récepteurs, avec M > 1, et comportant les étapes suivantes : envoyer un signal ultrasonore pour détecter l'objet, recevoir l'onde réfléchie par l'objet détecté, - transformer l'onde reçue en une pluralité de signaux de détection, ladite pluralité de signaux de détection consistant en un signal de détection pour chaque récepteur, - déterminer la distance et une estimation de la position angulaire de l'objet par une première formation de faisceaux appliqué aux signaux de détection, caractérisée en ce que la méthode selon l'invention comporte en outre les étapes suivantes : extraire les signaux correspondant aux distances de détection déterminées par la première étape de formation de faisceaux, - normaliser et ensuite additionner les signaux de détection sélectionnés après les avoir retardés, - déterminer l'angle de l'objet par rapport audit réseau de capteurs par une deuxième formation de faisceaux appliquée aux dits signaux de détection normalisés, appliquer un seuil de détection fixe sur la sortie de la deuxième étape de formation de faisceaux, ce seuil dépendant du nombre de capteurs du réseau de réception, pour trouver le maximum des signaux de détection.
De préférence, le nombre de récepteurs M est plus
grand que 2. Q
grand que 2. Q
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Dans un mode de réalisation particulier, le nombre de récepteurs M est 7.
De préférence, la valeur dudit seuil de détection fixe sur la sortie de la deuxième étape de formation de faisceaux est comprise entre 0,85 x M et 0,9 x M.
On va décrire ci-après, à titre d'exemple uniquement, un mode de réalisation de l'objet de l'invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1, déjà décrite, montre le principe connu de formation de faisceaux, la figure 2, déjà décrite, représente un schéma fonctionnel sous forme de blocs de la démodulation du signal reçu utilisée par la méthode selon la présente invention, et la figure 3 représente schématiquement les signaux détectés par les transducteurs d'un réseau de capteurs.
Le figure 4 représente schématiquement l'organigramme général de le méthode selon l'invention.
Le principe de formation de faisceaux peut être utilisé tant au niveau de l'émission qu'au niveau de la réception. A l'émission, on peut ainsi diriger l'énergie à des angles différents d'une façon électronique sans avoir besoin d'un balayage mécanique. A la réception, il est possible d'ajuster la directivité dans diverses directions ainsi que sa forme. Dans l'exemple décrit de la méthode selon la présente invention, le réseau de transducteurs (réseau de capteurs) émet un signal diffus et on n'applique le principe de formation de faisceaux qu'en réception. Ceci a pour avantage de diminuer le temps de réponse du système dans la mesure où il n'est nécessité qu'une seule étape d'émission. En effet, une
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des applications principales de la méthode selon la présente invention est l'utilisation dans les systèmes d'assistance de parcage d'une automobile. Le temps de réponse requis par l'industrie automobile est de 100 ms (0.1 s) pour une détection d'obstacle à 5 mètres. Pour l'acquisition du signal on a déjà besoin d'un temps de 30 ms dû aux limitations physiques, par exemple la vitesse du son. Donc le traitement du signal et l'information à l'utilisateur doivent se faire en moins de 70 ms.
Le réseau de transducteurs utilisé comporte de préférence 7 transducteurs, ce qui est un compromis choisi par les inventeurs de la présente invention. En fait, la largeur du lobe principal du diagramme de directivité diminue (donc la résolution augmente) avec l'augmentation du nombre de transducteurs, mais l'encombrement, le temps de calcul ainsi que les coûts généraux du système augmentent eux aussi.
Le signal reçu contient principalement de l'énergie dans une bande de fréquence relativement étroite. Il est donc possible de transposer ce signal vers la bande de base au moyen d'un filtre passe-bas.
La méthode selon la présente invention utilise le principe de formation de faisceaux en tant que première étape pour déterminer la distance et l'angle approximatif de l'objet qui reste à ce niveau non confirmé, c'est-àdire non encore identifié comme bruit ou objet réellement présent. Comme expliqué ci-dessus, cette étape ne détecte que d'une façon imprécise l'angle de l'objet par rapport aux récepteurs. Etant donné que la distance ainsi que l'angle sont nécessaires pour pouvoir déterminer la position de l'objet, il est nécessaire de détecter correctement et avec une plus haute précision cet angle.
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En fait, les inventeurs ont utilisé un réseau à sept canaux, c'est-à-dire un réseau consistant en sept transducteurs. La première étape de formation de faisceaux permet donc de déterminer la distance de l'objet et l'angle avec une précision de l'ordre de 5 .
La figure 3 montre les différents signaux reçus par les transducteurs. On peut constater que chaque signal Sm (t) a un maximum qui indique la présence potentielle de l'objet. Chaque maximum est décalé d'une durée T d'un signal sm (t) par rapport à un signal Sm+i (t). En trouvant le signal ayant le plus grand maximum après application des retards et de la sommation du procédé de formation de faisceaux, il est possible de connaître approximativement l'angle de l'objet par rapport au réseau.
En connaissant la distance, ces signaux de détection de chaque transducteur sont à nouveau additionné grâce à une deuxième formation de faisceaux après normalisation des signaux. Le principe de normalisation est développé dans la suite.
La première étape de formation de faisceaux peut être appliquée avec une résolution angulaire grossière (5'ou 10') en ne considérant que l'application des retards temporels (ou de phase) correspondant. Ceci permet de réduire notablement la quantité de calcul. La deuxième étape de formation de faisceaux n'est appliquée que sur les parties des signaux qui correspondent à une zone de détection à la sortie de la première étape de formation de faisceaux. Ceci a pour avantage de permettre une résolution plus fine sans augmenter de manière prohibitive les calculs puisque seulement une faible partie des signaux est à considérer (signaux correspondant à une zone de détection de la première étape de formation de faisceaux).
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La formation de faisceaux sur les signaux normalisés est explicitée ci dessous :
Chaque signal réfléchi peut avoir un rapport signal/bruit très bas de sorte qu'il est difficile d'utiliser un seuil de détection pour détecter la position réelle du maximum du signal. De plus, le seuil de détection doit être une fonction de la distance, de l'angle et du niveau de bruit ce qui rend ce paramètre très délicat à déterminer et rend le système très sensible à sa mauvaise estimation (fausse alarme ou manque de détection). Comme le bruit est un signal aléatoire, il ne se produit pas d'addition constructive lors de l'application de la formation de faisceaux. Au contraire, les signaux réfléchis s'additionnent de façon constructive car ils sont fortement corrélés.
Le rapport signal/bruit du signal étant amélioré d'un facteur M, si le nombre de transducteurs est M, après application de la formation de faisceaux, il est possible d'augmenter la possibilité et la résolution de détection par application des deux étapes de formation de faisceaux.
Grâce à la normalisation des signaux avant la seconde formation de faisceaux, le résultat après application des retards et sommation doit conduire à une valeur proche de M, M étant le nombre total de récepteurs, lorsqu'un objet est réellement présent et à une valeur nettement inférieure à M lorsque la détection de la première formation de faisceaux était une fausse alarme (fort niveau de bruit supérieur au seuil de la première formation de voie). Grâce aussi à l'application de la seconde formation de faisceaux sur les signaux normalisés, il est possible d'être plus tolérant sur le
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seuil de détection (seuil plus faible) de la première formation de faisceaux afin de permettre une meilleure potentialité de détection lorsque le rapport signal/bruit est faible puisqu'il est possible après la seconde étape de séparer les bruits des signaux réfléchis réels (comparaison du résultat à la valeur M).
Le seuil de détection de la seconde formation de faisceaux est fixé à une valeur constante choisie comme étant comprise entre 0,85 x M et 0,9 x M ce qui, pour les tests réalisés par les inventeurs, s'avère être une valeur permettant de bien séparer les bruits non corrélés des signaux réels.
Donc, après la seconde étape de formation de faisceaux, le signal ayant le plus grand maximum voisin de M peut être facilement trouvé et qualifié comme objet réel (différent d'un bruit) de sorte que l'angle de l'objet peut être déterminer avec une plus grande précision, de l'ordre de 10 avec l'assurance que la détection concerne bien un objet réel (différent d'un bruit).
Comme déjà expliqué, le choix du nombre de transducteurs est un compromis. Dans l'exemple présent, le nombre de 7 a été choisi. Ainsi, le rapport signal/bruit a pu être amélioré d'un facteur 7 = 2,646.
Grâce aux deux étapes de formation de faisceaux selon la méthode de la présente invention, il est possible de déterminer la position d'un objet avec une grande précision, et de réduire le taux de fausses alarmes sans augmenter le coût du processeur de calcul.
De plus, il est possible de déterminer correctement cette position même dans des mauvaises conditions météorologiques (fort niveau de bruit ou fortes variations de l'amplitude des signaux). Ainsi, cette
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méthode rend la détermination de la position d'un objet peu dépendante des conditions extérieures.
L'organigramme général de la méthode est schématiquement représenté sur la figure 4. En bref, la méthode contient plusieurs étapes à exécuter, en commençant par une première étape d'initialisation du réseau. Cette étape est suivie par l'étape de la première formation de faisceaux (BFR) pour la détermination grossière de l'angle (autour de 50). Ensuite la distance est détectée. S'il n'y pas d'objets potentiels détectés, l'exécution de la méthode s'arrête. Par contre, si un objet est détecté, dans l'étape suivante le signal est normalisé. S'il y a plusieurs objets potentiels, cette étape est faite pour chaque objet potentiel. L'étape suivante sélectionne le signal, suivie par l'étape de la deuxième formation de faisceaux (BFR) pour la détermination fine (autour de 10). Dans l'étape suivante, on détecte l'angle et ensuite on détermine la position de l'objet. Pour la mise en oeuvre de cette méthode, on pourrait faire appel à un programme d'ordinateur programmé dans un microprocesseur utilisant plusieurs sous-étapes préprogrammées dans des mémoires volatiles (RAM) pour le stockage des résultats intermédiaires.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Ainsi, il est à noter que plusieurs modifications et/ou améliorations peuvent être apportées à la méthode selon l'invention sans sortir du cadre de celle-ci.
Claims (4)
- recevoir l'onde réfléchie par l'objet détecté, transformer l'onde reçue en une pluralité de signaux de détection, ladite pluralité de signaux de détection consistant en un signal de détection pour chaque récepteur, - déterminer la distance et une estimation de la position angulaire de l'objet par une première formation de faisceaux appliqué aux signaux de détection, caractérisée en ce que la méthode comporte en outre les étapes suivantes : extraire les signaux correspondant aux distances de détection déterminées par la première étape de formation de faisceaux, normaliser et ensuite additionner les signaux de détection sélectionnés après les avoir retardés, - déterminer l'angle de l'objet par rapport audit réseau de capteurs par une deuxième formation de faisceaux appliquée aux dits signaux de détection normalisés, - appliquer un seuil de détection fixe sur la sortie de la deuxième étape de formation de faisceaux, ce seuil dépendant du nombre de capteurs du réseau de réception, pour trouver le maximum des signaux de détection.
REVENDICATIONS : 1. Méthode de détermination d'une position d'un objet en temps réel en utilisant un réseau de capteurs ultrasonores comprenant M récepteurs, avec M > 1, et comportant les étapes suivantes : envoyer un signal ultrasonore pour détecter l'objet,<Desc/Clms Page number 16> - 2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle le nombre de récepteurs M est plus grand que 2.
- 3. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le nombre de récepteurs M est 7.
- 4. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la valeur dudit seuil de détection fixe sur la sortie de la deuxième étape de formation de faisceaux est comprise entre 0,85 x M et 0,9 x M.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0016244A FR2817973A1 (fr) | 2000-12-13 | 2000-12-13 | Methode de detection et de positionnement d'objets basee sur deux etapes de formation numerique de faisceaux d'un reseau phase de capteurs |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0016244A FR2817973A1 (fr) | 2000-12-13 | 2000-12-13 | Methode de detection et de positionnement d'objets basee sur deux etapes de formation numerique de faisceaux d'un reseau phase de capteurs |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2817973A1 true FR2817973A1 (fr) | 2002-06-14 |
Family
ID=8857604
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR0016244A Pending FR2817973A1 (fr) | 2000-12-13 | 2000-12-13 | Methode de detection et de positionnement d'objets basee sur deux etapes de formation numerique de faisceaux d'un reseau phase de capteurs |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2817973A1 (fr) |
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