WO2006027478A2 - Procédé de localisation d'un objet mobile et dispositifs d'entrée de données utilisant ce procédé - Google Patents

Procédé de localisation d'un objet mobile et dispositifs d'entrée de données utilisant ce procédé Download PDF

Info

Publication number
WO2006027478A2
WO2006027478A2 PCT/FR2005/002174 FR2005002174W WO2006027478A2 WO 2006027478 A2 WO2006027478 A2 WO 2006027478A2 FR 2005002174 W FR2005002174 W FR 2005002174W WO 2006027478 A2 WO2006027478 A2 WO 2006027478A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pointer
radio
base unit
relay
signals
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2005/002174
Other languages
English (en)
Other versions
WO2006027478B1 (fr
WO2006027478A3 (fr
Inventor
Robert-Stephan Touzet
Olivier Geffroy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gempoint Sarl
Original Assignee
Gempoint Sarl
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gempoint Sarl filed Critical Gempoint Sarl
Publication of WO2006027478A2 publication Critical patent/WO2006027478A2/fr
Publication of WO2006027478A3 publication Critical patent/WO2006027478A3/fr
Publication of WO2006027478B1 publication Critical patent/WO2006027478B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/046—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by electromagnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0284—Relative positioning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/06—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/10—Position of receiver fixed by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements, e.g. omega or decca systems
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0354—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of two-dimensional [2D] relative movements between the device, or an operating part thereof, and a plane or surface, e.g. 2D mice, trackballs, pens or pucks
    • G06F3/03545—Pens or stylus
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B21/00—Teaching, or communicating with, the blind, deaf or mute

Definitions

  • the present invention relates to a method for locating a moving object or pointer for entering data or coordinates in a data processing system such as a computer, a PDA ("Persal Digital Assistant") or electronic diary, an electronic terminal or a telecommunication terminal such as a mobile phone, in particular, and data entry devices or coordinates in such a system.
  • a data processing system such as a computer, a PDA ("Persal Digital Assistant") or electronic diary, an electronic terminal or a telecommunication terminal such as a mobile phone, in particular, and data entry devices or coordinates in such a system.
  • the technical field of the invention is that of the manufacture of electronic data entry and coordinate terminals. It is known to introduce (or enter) data or coordinates in an electronic device such as a computer using a tablet, in particular a graphic or tactile tablet, or a mouse. A disadvantage of these tablets is their large size; A disadvantage of mice is that they require a flat, clean surface on which they can be moved. Another disadvantage of these input terminals results from the presence of a cable connecting the computer to the mouse or tablet to carry electrical signals. It has furthermore been described in the international application WO 02/25577 a tracking system for the displacement of a wireless writing device comprising an omni directional ultrasonic transmitter with a low acoustic independence; this transmitter comprises a base and a matrix of electric piezo bars.
  • This system further comprises a receiver provided with two ultrasonic sensors and connected to a computer.
  • RF radio frequency
  • a major disadvantage of ultrasound systems is the need for a high capacity power source to power the transducers, the low range in the transducer air, and their marked directionality.
  • Another disadvantage of the coordinate input terminals in an electronic data processing system is that they do not make it possible to determine the coordinates of a pointer in a reference or three-dimensional space.
  • An object of the invention is to provide a wireless mobile tool for writing, drawing, designating, remotely controlling or pointing, in cooperation with a data processing unit sensitive to the coordinates of this tool.
  • An object of the invention is to provide a method and a device for remote location of a pointer such as a stylus that is compact, low energy consumption, and whose accuracy is sufficient.
  • An object of the invention is to provide a method and coordinate input devices in an electronic data processing system which are improved and / or which remedy, at least in part, the disadvantages of known methods and devices of introduction of coordinates.
  • a data input system in particular coordinates
  • an electronic device such as a telecommunication terminal or a computer system, which comprises:
  • At least one base unit comprising a first oscillator and / or clock and a first and a second radio-transceiver, at least one pointer comprising a second oscillator and / or clock and a third radio transceiver, the three radio transceivers being arranged to transmit and receive (exchange) modulated radio signals at at least one common carrier frequency, as well as unmodulated radio signals.
  • the base unit preferably comprises means for locating the antenna of the transceiver of the pointer relative to the antennas of the two transceivers of the base unit, as well as means for synchronizing the first and second second oscillators or clocks; said exchanged radio signals allow the location of the pointer and the transmission of data, in particular the transmission of a state data of a switch fitted to the pointer; and the base unit is provided with connecting means - for example wired connection means - with said electronic apparatus, adapted to transmit phase shift data between the radio signals received from the pointer by the two transceivers of the base unit, and to enable it to compute coordinates of the pointer in a frame linked to the base unit from the phase shift data; alternatively, the coordinates of the pointer are determined by a calculation unit integrated into the unit of base, and said connecting means are provided for transmitting the coordinates thus calculated to the electronic device.
  • a system for inputting data (in particular coordinates) into an electronic device such as a telecommunication terminal or a computer system, which comprises:
  • At least one first relay or base unit comprising a first oscillator and / or clock and a first radio transceiver
  • At least one second relay or base unit comprising a second oscillator and / or clock and a second radio transceiver
  • At least one pointer comprising a third oscillator and / or clock as well as a third radio transceiver
  • the three radio transceivers being designed to transmit and receive (exchange) modulated radio signals at at least one common carrier frequency, as well as unmodulated radio signals.
  • the pointer comprises means for locating the antenna of the transceiver of the pointer (its antenna) relative to the antennas of the two transceivers of the base units; said exchanged radio signals allow the location of the pointer and the transmission of data to the electronic apparatus, in particular the transmission of a state data of a switch fitted to the pointer; and the pointer is provided with connection means - preferably RF link - with said electronic apparatus; the coordinates of the pointer are determined by a calculation unit integrated in the pointer, and said connecting means are provided for transmitting the coordinates thus calculated to the electronic apparatus; in addition, the pointer may have means for recognizing, interpreting and coding the calculated coordinates and transmitting, by said connecting means, the codes thus calculated to the electronic apparatus.
  • a device for entering data or coordinates in an electronic device using a mobile object or pointer comprising means for exchanging radioelectric location signals. and data with a base unit connected (or integrated) to the electronic apparatus, or with a fixed relay, as well as means for exchanging data radio signals with the base unit or the electronic apparatus.
  • pre-location or approximate location a first location of the pointer relative to at least one base or relay by exchanging first radio signals between the pointer and the base or relay and according to a first precision
  • At least one second pointer location is then carried out with respect to this base or relay by exchange of second radio signals between the pointer and the base or relay, according to a second precision which is better than the first precision.
  • the base connected to the electronic device may comprise at least two radio transceivers (called transducers) while the pointer comprises at least one such transducer; alternatively, two fixed relays each having a radio transducer are used, the two relays being separated by a predetermined distance.
  • a third pointer location operation may be performed following the second, in a third precision which is better than the second precision.
  • said first and second radio signals comprise one or more pulses or periods of a carrier wave whose frequency is adapted to the dimensions of the area in which the location of the pointer is sought; advantageously, this frequency is at least equal to 1 MHz, preferably in a range from 10 MHz to 100 GHz, in particular in a range from 100 MHz to 10 GHz.
  • the second accuracy is less than or equal to 2 meters, in particular less than or equal to 10 -3 meters, the first accuracy may be of the order of 100 times the second precision.
  • a carrier frequency corresponding to a wavelength adapted to the dimensions of the location uncertainty zone according to the first location operation is used, and the respective phases of two pulses respectively received by the two transducers of the base in response to a pulse emitted by the pointer, to locate more precisely the pointer within said area of uncertainty of location; preferably, the wavelength ⁇ , 2 corresponding to this carrier frequency is little greater than twice a radial dimension ERRMAX of said uncertainty zone: ⁇ 2 ⁇ ⁇ 2 x ERRMAX
  • radio frequencies are used to locate a moving pointer (movable) with respect to at least two radio antennas (and / or transducers) integral with a base (and / or fixed with respect thereto) connected to an electronic system, as well as for transmitting at least one piece of data, such as a state data item of a member such as a switch fitted to the pointer, from the pointer to the base and / or vice versa, the location
  • a first mode of pre-localization of the pointer one operates in a manner identical to that defined above for the localization of precision ion, by comparing the phase of two radio signals received by two transducers integrated or connected to the base and corresponding to the transmission by the pointer of a pulse - or of a pulse train - according to a first carrier frequency lower than the second carrier frequency used subsequently for the precision localization, that is to say of wavelength ⁇ i greater than the wavelength ⁇ 2 defined above.
  • the pointer is approximately located by measuring the radio wave phase differences received by at least three antennas of fixed transducers and / or integrated to the base ("hyperbolic" method).
  • the pointer is located approximately by measuring the attenuation of at least one radio pulse transmitted from the pointer to at least two fixed and / or integrated transducers at the base.
  • the pointer is located approximately by calculating the flight time of a radio pulse - or a pulse train - between the pointer and each transducer fixed and / or integrated with the base.
  • the determination of the coordinates of the pointer, in a two-dimensional (2D) or three-dimensional (3D) reference linked to the base includes triangulation calculations.
  • the pointer is located approximately by satellite; for this purpose, the pointer may comprise a GPS receiver.
  • the system according to the invention may or may not comprise means for synchronizing an oscillator equipping the pointer and / or a radio transducer separated from the base or relay and serving to produce a carrier signal, with an oscillator equipping said base or relay and also serving to produce a carrier signal, for the comparison of the phases of the exchanged radio signals.
  • the base or the pointer may comprise a phase comparator for comparing the respective phases of the oscillator signal of the moving pointer and the oscillator signal of the base; thus, when a phase shift is noted, a controller integrated in the base or the pointer - such as a microcontroller - can control the synchronization of the oscillator "slave" Ia 1 base with the oscillator "master” pointer.
  • each of these oscillators comprises a phase lock loop (PLL), which makes it possible to obtain a very stable carrier signal.
  • PLL phase lock loop
  • a method of locating a mobile pointer by transmitting radio signals with a fixed or transportable base in which a series of several radio signal transmissions is carried out, a comparison is made. phase of signals received by the base at each transmission of radio signals, and an average phase difference is determined from the series of phase differences respectively determined for each transmission of the series of transmissions; this makes it possible to obtain a better accuracy of the location.
  • each radio transducer of the system is partially shielded to focus transmitted and received radiation on a small antenna portion, to reduce the measurement uncertainty of the pointer coordinates from the signals exchanged between the transducers; preferably, in addition, each transducer comprises a tuning circuit for tuning the signals to be transmitted to the geometry of the antenna and to the shielding.
  • the system according to the invention can consist essentially of a base with two transducers and an associated pointer, as described herein; however, the system according to the invention may further comprise a third transducer fixed and / or integrated to the base, for:
  • i) allow a location in a two-dimensional mark that is more accurate than two transducers only; (ii) allow localization by the aforementioned hyperbolic method in a two-dimensional landmark; iii) allow pointer location (by a method other than hyperbolic) in a three-dimensional coordinate system.
  • the system comprises a radio transducer separated from the base, which can communicate with this base (for example by radio signals) and exchange with the pointer radio signals used for the localization thereof.
  • this separate radio transducer is integrated in a relay forming part of the system, this relay comprising mechanical reversible fixing means to a support, allowing to immobilize during its use in collaboration with a base and a pointer; preferably, this relay further comprises a relay motion detector which is connected to a relay control circuit, capable of transmitting to a control circuit of the base, a data item indicative of a movement of the relay; in such a circumstance, a control circuit of the base or the pointer can warn the user by an alarm signal, to warn him that, because of the displacement of the relay with respect to a previously determined reference position, transmissions with the pointer are disturbed and can not be used to locate it.
  • the system according to the invention may consist essentially of two such relays and the moving pointer.
  • the pointer or stylus is equipped with two radio transducers and an emitter of a lightly diverging light beam such as a laser beam;
  • the pointer has an elongate shape along a longitudinal axis;
  • the antennas of the radio transducers are spaced along this axis, in particular located at the two opposite longitudinal ends of the pointer, and the light emitter produces said beam substantially along this longitudinal axis.
  • the dimensions of the area within which the location may be performed depend in particular on the frequencies used; preferably, each of the two or three dimensions of this zone is in a range from 0.1 meter to 1 meter, 10 meters or 100 meters.
  • the invention makes it possible to produce a simple and accurate localization product that can be associated with fixed or portable computers, PDAs or telephone terminals.
  • the invention makes it possible to precisely locate a pointer that can be materialized by a stylus for writing, designating, drawing or pointing; the invention may especially be associated with electronic signature and / or handwriting recognition authentication means.
  • the invention makes it possible to propose a pointing tool for surveyors, architects, masons, farmers, an electronic chalk board allowing a course to be transmitted in real time on a school computer by a radio link (wireless or usb "wireless"), a distance measuring device, a long-range electronic stylus, a game interface, a device for finding a lost object such as a mobile phone.
  • a radio link wireless or usb "wireless”
  • a distance measuring device a long-range electronic stylus
  • game interface a device for finding a lost object such as a mobile phone.
  • FIG. 1 schematically illustrates a system according to the invention which incorporates a base unit, a remote relay terminal and a pointer in the form of a pen.
  • FIG. 2 schematically illustrates an uncertainty zone surrounding the position of the radio antenna of a pointer and corresponding to the uncertainty of the location of this pointer by an approximate location operation by measuring the flight time between the pointer and two antennas respectively equipping two transceivers of a base unit of a system according to the invention.
  • Fig. 3 is a block diagram illustrating the arrangement of the main components of a pointer of a system according to the invention.
  • Fig. 4 is a block diagram illustrating the arrangement of the main components of a base unit. of a system according to the invention; in this figure, only one lia of the two transducers 11a, 11b of the base has been shown, so as not to impair the intelligibility of the figure
  • FIG. 5 is a simplified timing diagram illustrating exchanges of radio signals between two transducers of a system according to the invention, respectively equipping a pen / stylus and a base or interface.
  • the system comprises essentially a base or interface 10, I, as well as a pointer or stylet 14.
  • the base is connected by a wired link 20 to a computer 21;
  • the base e comprises two identical radio transceivers 11a and 11b so that an eye 22 shaped to receive and / or apply against a portion of the stylet, to allow temporary isolation at the bottom e.
  • the base comprises an electrical connector (or pin) 16; the base c comprises a control and calculation circuit 17 which is connected on the one hand to each of the transducers 11a and 11b, and on the other hand to the connector 16 to allow the connection of this circuit with the integrated circuits to the stylus to synchronize the stylus oscillator with a master oscillator bone that is part of the bottom e.
  • Each of the transducers comprises a radio antenna 12a, 12b.
  • the stylet 14 comprises a radio transducer 11 of identical structure or similar to that of the transducers of the base e, and a module 22 for controlling the transducer links to which it is connected; the module 22 and the transducer lie are powered by a battery 23 integrated in the stylus; the transducer lie is connected to a radio antenna 12c identical or similar to the antennas 12a, 12b of the transducers of the base; the stylet further comprises a button 24 for actuating a switch (FIG.
  • the state of this switch is data which can be transmitted to the computer 21 via the base 10 and the radio signals 31 exchanged by the stylus and the base e, for example to distinguish two distinct modes of use of the stylus such as a "drawing" mode and a "moving s ans dess in” mode.
  • a change of state of such a switch can be controlled by a signal which is known from a sensor that is sensitive to the force exerted by a point integrated in the pointer under the action of the pressure exerted on it. by the carrier of the pointer on a writing surface extending near the base e and / or relays.
  • the body 14a of the stylet enclosing the organs lie, 22, 23, as well as a portion of the antenna 12c have coated with an electromagnetic shield 14b.
  • 1 further comprises a relay 30 enclosing a radio transceiver Hd and an antenna 12d connected to the transducer Hd; the relay 30 resting on a support 31, at a distance from the base 10, I, with which radio signals 31 are exchanged; alternatively, the transducer
  • Hd of the relay 30 may be connected to the circuit 17 of the base by an infrared or wired connection 33 for example, to transmit to the circuit 17 signals or data representative of the signals or data exchanged with the stylus; the relay 30 exchanges radio signals 31 with the stylus 14, as do each of the transducers of the base.
  • the electronic structure of the relay 30 is identical or similar to those of the transducers of the base which are described below.
  • the relay 30 is temporarily fixed to the support 31 by connecting means 32 such as an adhesive or a magnet for example; a movement and / or shock sensor (34) is integrated in the relay; the signals delivered by this detector are transmitted by the connecting means mentioned above to the circuit 17 of the base, in order to neutralize the signals or data transmitted by this relay when a movement thereof is detected.
  • each of the transducers 11a and 11c comprises a transmission chain and a reception chain.
  • Each transmission system comprises, successively connected in series, in the following order: an amplifier 40, a filter 41, a circuit E4 amplification and filtering band-pass (narrow) output, and an El circuit agree adapted to the antenna 12a,
  • This transmitting / receiving antenna is non-directional and vertical; the length of its unshielded portion is adjusted to increase reception accuracy, avoid echo reception, and allow better sensitivity to vertically polarized waves than echoes (whose polarization plane changes with each reflection).
  • Each reception chain comprises, sequentially connected in series, in the following order: a channel selector E6 programmable by a micro-controller E24 as a function of the radio transmission channel chosen, a filter E5 passes narrow input band which is tunable on the channel transmitted by E6, and a high quality class E7 amplifier E7 which is tunable to the selected channel.
  • each transducer of the base furthermore comprises a threshold comparator E8 receiving the signals delivered by E7 and making it possible to eliminate the signals that are too weak and which indicate either an interference or an echo, a distance too large pen and a need to use closer transducers to triangulate, and an amplifier E9 automatic gain control to change the amplitude of the signal to adapt to the tolerances of a comparator phase E 10 receiving the signals delivered by E9.
  • the signals delivered by the amplifier E7 of the pointer 14 are transmitted to the control circuit E24 via a demodulator E16 and a decoder E 19.
  • an encoder circuit E 18 performs the channel coding , the formatting of data received from the controller E24 and the addition of flags before possible modulation by a modulator E 17 of the signal delivered by a PLL loop and its delivery to the input of the amplifier 40.
  • the demodulator E 16 demodulates the signal received from the amplifier E7, E9 in the data transmission phases or flags, out of the localization phases by measuring a phase shift.
  • the control circuit 22 for controlling the stylus 14 comprises, in addition to a microcontroller E24, a voltage controlled quartz oscillator E 12, a PLL loop E 13 set to a frequency multiple of that of the oscillator E12, which provides the carrier, a channel selectable tunable frequency circuit PLL / N and a frequency divider E22 serving as a reference to the clock E23 of the microcontroller E24.
  • a microcontroller E24 a voltage controlled quartz oscillator E 12
  • PLL loop E 13 set to a frequency multiple of that of the oscillator E12, which provides the carrier
  • PLL / N a channel selectable tunable frequency circuit
  • a frequency divider E22 serving as a reference to the clock E23 of the microcontroller E24.
  • phase comparator E25 also connected to the master PLL loop E 13 of the circuit 17 command of the base; a contact (not shown) activated when the stylus is temporarily secured to the base via this receptacle, causes a measurement of the drift of the PLL E 13 of the stylus relative to the master PLL of the base, which is transmitted to the controller E24 via an analog digital converter E26. A synchronization of the PLL E 13 of the stylus is then performed and verified using the comparator E25.
  • the control circuit 17 integrated in the base 10 comprises the phase comparator E 10 for performing a distance measurement by phase shift measurement in the second location operation mentioned above; during the approximate location operation, this comparator can be used to detect the presence of an echo (out of phase): the signal delivered by ElO is transmitted to the controller E24 via an analog digital converter E14 of the circuit 17
  • the circuit 17 also comprises an E27 digital analog converter controlled by E24; during a connection of the pen circuits to the pin E3, 16 of the circuit 17, after controlling the synchronization of the oscillator of the stylus with the master oscillator E 13, the microcontroller E24 can control the synchronization of the oscillators by the intermediate of the E27 converter.
  • the control of the channel to be selected in reception is performed by E24 which controls a PLL loop E 15 set on the loop E 13 and programmable return, by shifting the frequency of E15.
  • a channel selector E29 controlled by the controller E24, applies one of its two inputs to the phase comparator ElO: either the signal of the master loop E 13, or a signal delivered by a loop E Il used as summator; this makes it possible to choose the signal to which the signal received from the pointer will be compared and applied to the comparator ElO by the reception channel of the transducer.
  • the circuit 17 furthermore comprises a voltage controlled oscillator (VCXO) E28 which is used to cause summation in the PLL E II of successive phase shifts of a train of waves received from the pointer, in order to improve the accuracy of the measurement by determining an average phase shift; for this purpose, the micro-controller E24 selects (by E29) the output of E Il as a reference signal for E 10, and drives the digital-analog converter E30; the latter applies the corresponding data to E28 until the converter E 14 indicates a significant phase shift of the phase identity of the stylus oscillator with E Il which is keyed on E28.
  • VXO voltage controlled oscillator
  • the circuit 17 also comprises a PLL / N programmable frequency loop which receives transmit channel number data from E24, and which receives the reference signal from E 13.
  • the controller E24 selects, by a channel selector E20, the transmitted signal to the modulator E17: either the input of E20 receiving the signal delivered by E II if it is desired to accumulate phase shifts, or that delivered by the PLL / N loop with tunable frequency.
  • a counter E21 receives the reference signal delivered by E13; for measuring the flight time of a radio wave between the stylus and the base, this counter records the cumulative time set for exchanging a predetermined number of pulses; the accumulated duration is delivered to the controller E24 and the counter E21 is reset.
  • the approximate location of the antenna 12c of the pointer in a reference frame linked to the base can be carried out by measuring the flight time of a radio wave exchanged with the antennas 12a and 12b of the transducers of FIG. the base.
  • the measurement of the flight time between the antenna 12c and the antenna 12a makes it possible to determine a radius Ra corresponding to the distance of the antenna 12c estimated as a function of this flight time; this measurement being tainted by an ERRA error, makes it possible to establish that the antenna 12c is situated inside a circular crown CCA of radius Ra, centered on the antenna 12a, and of width equal to twice the error ERRA.
  • the measurement of the flight time between the antenna 12c and the antenna 12b makes it possible to establish that the antenna 12c is situated inside a circular ring CCB of radius Rb, centered on the 12b antenna and width equal to twice the error ERRB tainting the measurement Rb.
  • the uncertainty zone ZI locating the antenna 12c with respect to the antennas 12a and 12b corresponds to the intersection of these two rings; this zone, which has a form of curvilinear quadrilateral, is illustrated in broken lines; its largest radial dimension ERRMAX is used to choose the wavelength to be used to refine the localization by comparing phases of radio waves emitted by the antenna 12c and received by the antennas 12a and 12b.
  • the base unit 10 of the system also called interface I, thus comprises two terminals or transducers 11a, 11b radio electric each having a small antenna 12a, 12b; alternatively, the base 10 may have 3 or 4 transducers (or more) to increase the accuracy, and depending on the type of location desired (2D or 3D).
  • An object locating system is described in the following in a 2D coordinate system, but a similar system equipped with an additional terminal not aligned with the preceding ones makes it possible to perform a 3D localization.
  • reference is later to a stylus but the invention can be applied to small moving objects (such as labels) to be located precisely.
  • the stylus 14 has a clock 15 clocked at P MHz (for example about 200 or 400 MHz) and set on the clock E23 of the interface I. A registration of the pen clock on that of the interface is performed each time the stylus is placed on the support 22 provided on the interface; To this end, in this configuration of temporarily securing the stylus and the base e, a pin 16 of the base e, which is connected to the integrated control circuit 17 at the bottom I, is in contact with a pin 18 of the stylus which is connected to the control circuit 22 integrated in the stylus.
  • P MHz for example about 200 or 400 MHz
  • the total duration Dt measured by the counter can be expressed by the equation:
  • Dt 2N. (Cd / c) + 2N .ed + 2N .ea + elck + efck + 2 (N-I).
  • lagt + 2N. last or Do are the distance to be measured, c, the celerity of the light, ed, the mean temporal error at the time of sampling, and the mean temporal error at the reception of the sampling, elck, the timing error at launch, which is less than 1 / P Mhz and which is rendered very low by a previous synchronization of the clocks, efck, the final timing error which is likewise less than 1 / P Mhz , lagt, which is the waiting time c between two pulses and last, which is the constant duration of an impulse.
  • the distance D between the two antennas respectively associated with the transducers considered is deduced from the preceding equation.
  • the eDo error on the distance Do referring to: eDo ⁇ c. (ed + ea + (efck + elck) / 2n) which tends to c (ed + ea) when N increases.
  • the distance traveled by the signal between the stylus and the terminal 11a is thus calculated, knowing in advance the constant waiting time LAGT between two impulses and the constant duration LAST of a pulse.
  • the approximate position (xt, yt) of the stylus is then calculated using a triangulation method. ERRMAX uncertainty on the measurement, which may be of the order of a few tens of centimeters, may be too high for the desired application.
  • the precision is improved by taking into account the phase shift of another radio signal emitted by the stylus, with a reference.
  • the stylus has a PLL E 13S (e phase lock loop); the interface has a main PLL E 13M (or "master” PLL) and possibly more PLLs "claves" connected to the main PLL. If necessary, the phase lock loop e can be replaced by an equivalent or superior system with respect to stability and accuracy of oscillations.
  • the stylus has its PLL in phase with the PLL (s) of the interface I.
  • the PLL of the stylus is re-phased on the PLL of the interface I to each time for example that the stylus is placed on its support incorporated in the interface.
  • the stylus emits a radio pulse; terminals 11a and 11b receive this unmodulated radio signal with phase shifts ( ⁇ a and ⁇ b respectively) proportional to their distance to the stylus.
  • We chose the wavelength X 2 of this radio signal such that ⁇ 2> 2 * ERRMAX, ERRMAX being the maximum measurement error determining the radius of the circle or the sphere (in 3D) of uncertainty of the measurement carried out in the first place.
  • the stylus emits a synchronized signal and the terminal Bj receives a wave corresponding to this emission, and calculates a phase shift with its synchronized PLL signal.
  • the interface I expects, on the basis of a preliminary estimate, a phase shift equal to R * 2 * 7C.
  • a calculator integrated in the interface I or transferred to another microprocessor computing unit once in possession of the expected phase shift ⁇ and measured f and knowing X 2, determines the direction and the length of the error of the first measurement, which then allows to calculate for each terminal the distance to the stylus more precisely.
  • the condition on the second wavelength mentioned above ( ⁇ .2> 2 * ERRMAX) is necessary for the validity of the distance measurement; the wavelength X 2 is increased inversely proportionally, in the case where the technique used does not allow a measurement over 360 °.
  • This wavelength X 2 must exceed 2 * E RRMAX by at least twice the maximum error that can be made on the. phase shift, during the first location operation.
  • sine and cosine output phase comparators are used, which allow measurement over 360 °.
  • phase comparator ElO needs to input signals of similar amplitudes, the accuracy is improved by the use of an automatic gain amplifier E9.
  • a slave PLL EI1 of the interface is pre-synchronized to the expected phase shift f and the phase comparator ElO uses the reference signal as the reference signal.
  • the stylus is not previously synchronized on the clocks and PLL of the interface; the stylus may not have a clock.
  • a pulse from the interface is then used and the stylus is instructed to return a feedback pulse, which in turn is received by the interface and so on.
  • the interface can after Lagi delay, restart the round trip process and so on N times.
  • the knowledge of Lags and Lagi, either by construction or by transmission, will then allow ⁇ C to deduce Tv. In this system, the accuracy will be very good, if P (the frequency of the clock of the interface) and N (the number of transmissions of the signal). The remainder of the process will proceed as in the previous embodiment with respect to the initial estimation of flight time positioning.
  • the expected phase shift is equal to the sum of R * ⁇ a / 2 "" TC (as in the previous case) and ⁇ sync (which results from the synchronization delay dt). ⁇ sync is equal to ⁇ '(with errors).
  • the system without synchronization thus returns to a synchronized system with at the level of the return to the terminal Bi an expected phase shift of 2 ⁇ and a real phase shift of 2 ⁇ ', allowing as previously to calculate the overestimation or the underestimation of the distance, provided that ⁇ 2> 4 * ERRMAX, instead of 2 * ERRMAX in the case with synchronization.
  • the above technique has the advantage of dividing the relative phase comparison error by 2, the measurement applying to 2 ⁇ 'instead of ⁇ ' in the synchronized version.
  • a wavelength ⁇ 1 is then used at least twice as long as in the first embodiment.
  • This technique can also be used to reset the synchronized mode from time to time by calculating the difference between this mode and the desynchronized mode on a stylus position: this allows, when this difference exceeds a certain level, to activate an alarm and generate a phasing from the gap analysis.
  • the terminals Bj of the interface are provided with a phase difference summation system (Ssdp).
  • ⁇ ' from which one draws ⁇ ' with a better precision because ⁇ t "error of the phase comparator whose other input is obviously connected on the main PLL (E 13M) of the interface which had a zero offset with the PLLeBj at the first broadcast.
  • Another precision phase summoner may also be suitable.
  • the second embodiment and its variants is quite appropriate if one wishes to integrate the main computing unit with the stylus and simplify the interface or base. In this configuration, each of these two bases must also have synchronization means in phase and frequency of its oscillator on the received signal.
  • the stylus can process the signal only one base at a time, it can provide sequential management by the stylus working times of each of these bases. This can be done through a "token ring" order issued by the RF stylus to the chosen base.
  • the interface knowing precisely the position of the support and thus Do, can easily deduce LAGT, LAST and N;
  • these data are provided by RF protocol in the case of pens capable of digitally modulating the carrier and demodulate back.
  • RF protocol in the case of pens capable of digitally modulating the carrier and demodulate back.
  • a stylus with two antennas located at each end allows in particular to determine the coordinates of a vector, and therefore a pointing direction; such a pointer, associated or not with a laser beam, makes it possible to remotely control an object and can serve as an interface with a computer system.
  • the locating method can then include the following operations:
  • the stylus sends a first digitally modulated RF pulse with the data N, LAST and LAGT;
  • the interface and the stylus (s) must have multiple channel management systems and be configured not to transmit data during phase shift measurement phases that require a "clean" RF environment. Radio exchange management with "token ring" styli is applicable; other variants may involve centralization at the interface that acts as a "server", the stylets being "users".
  • only the technique of the first (approximate) measurement of the position of the stylus is different, the method of improving the accuracy being in accordance with one of the solutions set forth above in the first two embodiments.
  • phase shift measurement technique for coarse localization, a phase shift measurement technique is used at appropriate wavelengths:
  • the stylus which has a PLL (phase locked loop) in phase with the PLL of the interface (I), emits a radio pulse; the terminals receive this unmodulated radio signal with phase shifts relative to their PLLs, which are proportional to their distance from the stylus.
  • the wavelength of the signal is chosen according to the desired maximum range (Pmax) of location; the calculator of the interface (I) calculates the distances separating each terminal of the stylus and then calculates the position (xt, yt) of the stylus in a reference linked to the terminals, using a conventional triangulation method, from the results given by phase comparators.
  • the wavelength ⁇ i must be greater than P max to make it possible to identify the position without ambiguity.
  • This constraint can be suppressed by adding to one of the terminals of the interface, a threshold comparator, in order to gauge the level of the received RF signal (which is approximately reduced with the square of the distance), and to determine at what ripple the measured phase shift belongs.
  • a threshold comparator in order to gauge the level of the received RF signal (which is approximately reduced with the square of the distance), and to determine at what ripple the measured phase shift belongs.
  • This embodiment due to the need for prior synchronization, may be suitable for the initial distance estimation of the first embodiment.
  • the pen PLL can be re-phased on the PLLs of the I interface each time the stylus is placed on its holder and is in direct contact with the base circuits.
  • a "hyperbolic" method is used for rough estimation of the position.
  • the stylus is located firstly by using the flight time difference of the stylus RF signal at at least three terminals to calculate the distance differences proportionally.
  • the position of the stylus is then determined by hyperbola intersection calculations.
  • the differences in the distance between the stylus and the different terminals are measured by calculation of the phase shift of the R.F. signal:
  • the stylus emits a radio pulse; the terminals receive this unmodulated radio signal with phase shifts ( ⁇ ) proportional to their distance from the stylus; in choosing the wavelength of the signal ( ⁇ ), judiciously with respect to
  • the coarse position of the stylus is determined by satellite (GPS for example).
  • GPS for example
  • a wavelength greater than one meter can then be used for a first refining according to the refining modes mentioned above, followed by a shorter wavelength for a fine calculation.
  • the found coordinates can be integrated directly into the global geodetic system. This process requires the presence of a GPS receiver in the stylus.
  • the stylus is placed on its support (on the interface) and generates a first position that is stored in memory and that is that of the interface in global coordinates. Then, in use, the GPS coordinates transmitted in RF by the stylus, are compared with those of the interface in memory to deduce the position of the stylus relative to the interface.
  • the systematic error or measurement bias can be finely evaluated by placing the stylus on its support, the terminal distances of which are precisely known, and by making a large number of times the calculation of distance; a statistical characteristic characteristic of the error (phase or time of flight) can be integrated in the memory of the controller E24 or the computer 21 to refine the calculations during normal use. Unmodulated carriers are filtered at the reception to minimize the risk of interference.
  • the interface can, before proceeding with radio location exchanges, scan several adjacent channels in reception, determine the channel or least scrambled channels, and inform the (or) stylet (s) of the channel to be used to transmit the carrier used for radio exchanges.
  • the modulated carriers may use amplitude, frequency, phase, or "QPSK” or other type, phase and amplitude modulations at a time.
  • the modulations respect the authorized bandwidths and, according to the modes of modulation, the Carson bands, the "Nyquist-Shannon” sampling criteria, the Hartley-Shannon law, among others.
  • Transmissions between the interface (s), additional terminals and computers, can use the WIFI standards, the USB standards Wireless, standards I Rd a, RS232, see a communication by modem and mobile phone.
  • the antennas have been maximized while being tuned (especially on the broadcast) by tuning circuit, to allow for the most localized radiation and radiation input, the rest of the equipment (stylus and interface) being shielded to limit interference.
  • the power supply of the stylet can be not s ive, by capturing the energy of the incident wave or a specially emitted RF wave e by a specific antenna of the interface or a remote antenna; it can also be performed by batteries (rechargeable or not) or solar cells.
  • the power supply of the interface and terminals can be done through a computer port, by batteries, solar cells, or cord.
  • Accuracy can be increased by adding an ultrasound emitter to the interfaces and an ultrasound receiver to the stylus, or vice versa, to greatly refine the accuracy at a distance by a flight time calculation. times the radio wave accuracy limit reached.
  • the measurement of the flight time can be done according to the same mode of operation as in radio wave, provided that the stylet does not move or moves very little, the flight time of the sore wave being considerable compared to waves radio.
  • the used ation of a pointer pen comprising two radio transducers' overcomes the imprecision iduelle res (metric) used in ant of a suitably sized stylet: the precise angular ion increases with stylus length and / or the distance between the two antennas of the stylus.
  • a stylet with sliding body or telescope can be used to tune the precise angular ion to the need.
  • the measurement zone can be predefined and formatted by means of the pointer by orthonormal marking of the zone, this method makes it possible to improve the accuracy of the localization by eliminating any errors projecting computed coordinates out of the treatment zone and by calibrating the calculation area.
  • the autonomous mode makes it possible to substantially reduce the size of the basic interface (or even to reduce it to a simple independent remote triangulation terminal or connected to the processing unit by the available means (ports USB, USB Wireles, " WIFI ... " , in this case, the pointer contains all the elements required for the localization in desynchronized mode (memory, RF transceiver, processing calculator ...) the pointer may have a low e (or repository) alphanumeric character recognition, it can be downloaded from and through a processing unit (PC, PDA, Mobile ...); this method makes it possible to transmit, not only points in graphic mode, but directly a character or symbol recognized by a matching table (repository).
  • This character recognition base can be generated directly by the user who can, from a processing unit, match a sample of his own cursive script with the table (repository) of alphanumeric characters and symbols, and can then download it. in the pointer or keep it in memory in a file of the processing unit. This allows the data transported by the pointer (between the latter and the processing unit) to be reduced if the latter has the write recognition repository (characters, symbols) integrated in its autonomous memory unit.
  • RF can be obtained by down-converting; this frequency change can be achieved by subtracting the received RF frequency with the frequency OL from a local oscillator, in a symmetrical balanced mixer, followed by a low-pass filter; this makes it possible to obtain a lower frequency while preserving the same phase shift. It is thus possible to use low frequency phase detectors that are simpler to use and more accurate. Another solution for obtaining a low frequency is to use a frequency division.
  • This division of frequency can be done by using flip-flops after square formatting of the RF signal, but the use of PLLs facilitates this operation: by way of example, if the PLL of the oscillator OL uses a frequency of 13.56Mhz in reference and uses a 32-divider on its return loop, the PLL's VCO will have an output frequency of 433.92 Mhz in phase with its reference. If you receive an RF signal at 433.92 Mhz, simply divide it by 32 to obtain a signal comparable to the reference of the OL PLL. "Phase inaccuracies" can then come from the following origins:
  • phase / frequency synchronization error RF / OL phase / frequency synchronization error
  • the invention can be used for signature authentication usually affixed to the back of a smart card; for this purpose, the signature is digitized and saved in a memory of the card; during the physical signature with a stylus of a system according to the invention, the payment terminal (or “sabot") compares the signature produced and transmitted by the electronic pen, with the signature recorded in the memory of the card, thanks to to recognition software, then accept or decline the settlement.
  • Security can be improved by the presence, in a memory of the pen, an asymmetrical key coded to match another asymmetric key stored in the smart card.
  • a terminal B2 which receives and transmits an RF signal again, is synchronized at power up with a terminal B1 and their signals are approximately in phase; when receiving the signal from the terminal B1, the terminal B2 adds a digital data informing the destination terminal B1, if the phase shift observed is greater than or equal to 180 °; in this case, the destination terminal carries out the sum of the phase difference which it observes with the received phase shift which it then divides by two (after having possibly added 360 ° if the phase shift announced by the terminal 1 was greater than 180 °) for obtain the desired phase shift; a statistical reprocessing of the incoherent points then makes it possible to eliminate the observed phase-shifts close to 180 ° having been estimated in the bad quadrant;
  • phase noise found on a quartz oscillator, even temperature controlled, can hinder the achievement of sufficient accuracy, beyond one second of operation; to allow a precise phase measurement, it is therefore necessary to use a round trip as described above.
  • phase noise found on a quartz oscillator, even temperature controlled, can hinder the achievement of sufficient accuracy, beyond one second of operation; to allow a precise phase measurement, it is therefore necessary to use a round trip as described above.
  • one solution is the insertion of delay lines between the amplifiers and the filters. reception and between the amplifiers and transmit filters, to sufficiently delay the return of the return.
  • the sequences emitted must be short compared to the delay created by the delay lines. This technique simplifies the terminal by eliminating the need for PLL and snap phase.
  • a mode of the BLR / BLA type makes it possible to suppress one of the two subcarriers and to keep a modulated subcarrier and the carrier at least partially. For example, a modulation of a carrier frequency of
  • the distance counter would be incremented by the wavelength used, and conversely, in the case of a transition in the opposite direction e.
  • DSSS Direct Sequence Spread Spectrum
  • FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum
  • OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
  • phase frequency detector A method of acquiring the frequency and phase based on P.L. L.subjected by a calculating unit is described in various parts of this document. It should be noted that the calculation unit is not mandatory and can be replaced by a simple charge pump, which will automatically reduce to 0 the frequency and phase difference e of the P. L. L.; this type of system is integrated into a system generally called "phase frequency detector".
  • phase shift detection Various parts of this document refer to modes of phase shift detection. It is important to note that the concept of phase shift can be applied to both analogue and digital signals as well as to "square" digital signals, and there may be some requirements for obtaining the best precision. transformation of one into the other and vice versa. The transformation of an analog signal into a square signal, for example, will make it possible to use phase-frequency and low-frequency detectors that are very efficient and precise.
  • the invention makes it possible to propose a universal autonomous pointer with all devices, location, recognition of characters and symbols, graphical plot mode, which can thus be successively interfaced with processing units so that universe and autonomous by standardized means (USB wireless, Bluetooth).
  • the method thus described can be embedded in ASICS (Application Specified Integrated Circuit) or FPGA (Field Programmable Gate Array) and can use technologies combining analog and (or) digital circuits.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Audiology, Speech & Language Pathology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Educational Technology (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Position Input By Displaying (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un procédé de localisation d'un objet ou pointeur (14) mobile par rapport à une base (10, I) reliée à un système électronique (21), utilisant des fréquences radio pour localiser l'objet ou pointeur mobile par rapport à au moins deux antennes ou transducteurs radio solidaires de la base et/ou fixes par rapport à celle-ci, ainsi que pour transmettre au moins une donnée entre le pointeur et la base.

Description

Procédé de localisation d'un objet mobile et dispositifs d'entrée de données utilisant ce procédé
La prés ente invention est relative à un procédé de localisation d'un objet ou pointeur mobile pour l'entrée de données ou coordonnées dans un système de traitement de données tel qu'un ordinateur, un PDA (« Pers onal Digital Assistant ») ou agenda électronique, un terminal électronique ou un terminal de télécommunication tel qu'un téléphone portable, notamment, ainsi qu'à des dispositifs d'entrée de données ou coordonnées dans un tel système.
Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication des terminaux électroniques d'introduction de données et coordonnées. Il est connu d'introduire (ou saisir) des données ou coordonnées dans un appareil électronique tel qu'un ordinateur à l'aide d'une tablette, en particulier une tablette graphique ou tactile, ou d'une souris. Un inconvénient de ces tablettes est leur encombrement important ; un inconvénient des souris est qu'elles nécessitent de disposer d'une surface plane et propre sur laquelle elles peuvent être déplacées . Un autre inconvénient de ces terminaux de saisie résulte de la présence d'un câble reliant l'ordinateur à la souris ou tablette pour transporter des signaux électriques . Il a par ailleurs été décrit dans la demande internationale WO 02/25577 un système de suivi du déplacement d'un dispositif d'écriture sans fil comportant un transmetteur ultrasonore omni ,• directionnel présentant une faible indépendance acoustique ; ce transmetteur comporte une base et une matrice de barreaux piezo électriques . Ce système comporte en outre un récepteur muni de deux capteurs ultras oniques et relié à un ordinateur. Ce document évoque l'utilisation de signaux radiofréquence (RF), et l'utilisation de signaux de synchronisation et de localis ation du dispositif d'écriture par rapport aux capteurs par des méthodes de triangulation. Un inconvénient important des systèmes à ultrasons est la nécessité de disposer d'une source d'énergie de grande capacité pour alimenter les transducteurs, la faible portée dans l'air des transducteurs, et leur caractère directionnel marqué. Un autre inconvénient des terminaux d'introduction de coordonnées dans un système électronique de traitement de données est qu'ils ne permettent pas de déterminer les coordonnées d'un pointeur dans un repère ou espace à trois dimensions.
D'autres systèmes ont été proposés dans les documents "WO-02/067240 et EP- 513559 ; ces documents ne décrivent pas un système d'entrée de données ou coordonnées dans un appareil électronique à l'aide d'un pointeur mobile, dans lequel on utilise la phase ou le temps de vol de signaux radioélectriques échangés par l'appareil et le pointeur, pour localiser le pointeur par rapport à l'appareil, et dans lequel on échange des signaux radioélectriques modulés pour transmettre une donnée du pointeur à l'appareil : WO- 02/067240 ne prévoie pas d'émission radio à destination du pointeur mobile, et la tablette décrite dans EP-513559 est purement passive. Un objectif de l'invention est de proposer un système simple permettant d'introduire les coordonnées - dans un espace à deux ou trois dimensions - d'un outil tel qu'un stylo pour écrire, dessiner, ou pointer, dans un système de traitement de ces coordonnées .
Un objectif de l'invention est de proposer un outil mobile sans fil pour écrire, dessiner, désigner, télécommander ou pointer, en coopération avec une unité de traitement de données sensible aux coordonnées de cet outil.
Un objectif de l'invention est de proposer un procédé et un dispositif de localisation à distance d'un pointeur tel qu'un stylet qui soit peu encombrant, qui consomme peu d'énergie, et dont la précision soit suffisante.
Un objectif de l'invention est de proposer un procédé et des dispositifs d'entrée de coordonnées dans un système électronique de traitement de données qui soient améliorés et/ou qui remédient, en partie au moins, aux inconvénients des procédés et dispositifs connus d'introduction de coordonnées.
Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un système d'introduction de données (en particulier de coordonnées) dans un appareil électronique tel qu'un terminal de télécommunication ou un système informatique, qui comporte :
- au moins une unité de base comportant un(e) premier(e) os cillateur et/ou horloge ainsi qu'un premier et un second émetteurs-récepteurs radioélectriques, - au moins un pointeur comportant un(e) second(e) oscillateur et/ou horloge ainsi qu'un troisième émetteur récepteur radioélectrique, les trois émetteurs récepteurs radioélectriques étant prévus pour émettre et recevoir (échanger) des signaux radioélectriques modulés à au moins une fréquence porteuse commune, ainsi que des signaux radioélectriques non modulés .
L'unité de base comprend de préférence des moyens de localisation de l'antenne de l'émetteur récepteur du pointeur par rapport aux antennes des deux émetteurs récepteurs de l'unité de base, ainsi que des moyens de synchronisation des premièr(e) et second(e) oscillateurs ou horloges ; lesdits signaux radioélectriques échangés permettent la localisation du pointeur et la transmission de données, en particulier la transmission d'une donnée d'état d'un interrupteur équipant le pointeur ; et l'unité de base est munie de moyens de liaison - par exemple des moyens de liaison filaire - avec ledit appareil électronique, conçus pour lui transmettre des données de déphasage entre les s ignaux radioélectriques reçus du pointeur par les deux émetteurs récepteurs de l'unité de base, et pour lui permettre de calculer des coordonnées du pointeur dans un repère lié à l'unité de base à partir des données de déphasage ; alternativement, les coordonnées du pointeur sont déterminées par une unité de calcul intégrée à l'unité de base, et lesdits moyens de liaison sont prévus pour transmettre les coordonnées ainsi calculées à l'appareil électronique.
Selon une variante de l'invention, il est proposé un système d'introduction de données (en particulier de coordonnées) dans un appareil électronique tel qu'un terminal de télécommunication ou un système informatique, qui comporte :
- au moins un premier relais ou unité de base comportant un(e) premier(e) oscillateur et /ou horloge ainsi qu'un premier émetteur-récepteur radioélectrique,
- au moins un deuxième relais ou unité de base comportant un(e) deuxième oscillateur et/ou horloge ainsi qu'un deuxième émetteur-récepteur radioélectrique,
- au moins un pointeur comportant un(e) troisième oscillateur et/ou horloge ainsi qu'un troisième émetteur récepteur radioélectrique,
les trois émetteurs récepteurs radioélectriques étant prévus pour émettre et recevoir (échanger) des signaux radioélectriques modulés à au moins une fréquence porteuse commune, ainsi que des signaux radioélectriques non modulés.
Dans cette variante, le pointeur comprend des moyens de localisation de l'antenne de l'émetteur récepteur du pointeur (son antenne) par rapport aux antennes des deux émetteurs récepteurs des unités de base; lesdits signaux radioélectriques échangés permettent la localisation du pointeur et la transmission de données à l'appareil électronique, en particulier la transmission d'une donnée d'état d'un interrupteur équipant le pointeur ; et le pointeur est muni de moyens de liaison - de préférence de liaison RF - avec ledit appareil électronique; les coordonnées du pointeur sont déterminées par une unité de calcul intégrée au pointeur, et lesdits moyens de liaison sont prévus pour transmettre les coordonnées ainsi calculées à l'appareil électronique ; en complément, le pointeur peut disposer de moyens de reconnaissance, d'interprétation et de codage des coordonnées calculées et transmettre par lesdits moyens de liaison, les codes ainsi calculés à l'appareil électronique.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif d'entrée de données ou coordonnées dans un appareil électronique à l'aide d'un objet ou pointeur mobile, le pointeur comportant des moyens d'échange de signaux radioélectriques de localisation et de données avec une unité de base reliée (ou intégrée) à l'appareil électronique, ou avec un relais fixe, ainsi que des moyens d'échange de signaux radioélectriques de données avec l'unité de base ou l'appareil électronique.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé d'introduction des coordonnées d'un pointeur dans un système électronique dans lequel :
- on effectue une première localisation (dite pré-localisation ou localisation approximative) du pointeur par rapport à au moins une base ou relais par échange de premiers signaux radioélectriques entre le pointeur et la base ou relais et selon une première précision, puis,
- on effectue ensuite au moins une seconde localisation de pointeur par rapport à cette base ou relais par échange de seconds signaux radioélectriques entre le pointeur et la base ou relais, selon une seconde précision qui est meilleure que la première précision.
A cet effet, la base reliée à l'appareil électronique peur comporter au moins deux émetteurs récepteurs (dits transducteurs) radioélectriques tandis que le pointeur comporte au moins un tel transducteur ; en variante, on utilise deux relais fixes comportant chacun un transducteur radioélectrique, les deux relais étant séparés d'une distance prédéterminée. Le cas échéant, une troisième opération de localisation du pointeur peut être effectuée à la suite de la seconde, selon une troisième précision qui est meilleure que la seconde précision. De préférence, lesdits premiers et seconds signaux radioélectriques comportent une ou plusieurs impulsions ou périodes d'une onde porteuse dont la fréquence est adaptée aux dimensions de la zone dans laquelle la localisation du pointeur est recherchée ; avantageusement, cette fréquence est au moins égale à 1 MHz, de préférence située dans une plage allant de 10 MHz à 100 GHz, en particulier située dans une plage allant de 100 MHz à 10 GHz. De préférence, la seconde précision est inférieure ou égale à 10 2 mètre, en particulier inférieure ou égale à 10"3 mètre ; la première précision peut être de l'ordre de 100 fois la seconde précision.
Selon un aspect de l'invention, lors de la seconde opération de localisation, on utilise une fréquence porteuse correspondant à une longueur d'onde adaptée aux dimensions de la zone d'incertitude de localisation selon la première opération de localisation, et on compare les phases respectives de deux impulsions respectivement reçues par les deux transducteurs de la base en réponse à une impulsion émise par le pointeur, pour localiser plus précisément le pointeur à l'intérieur de ladite zone d'incertitude de localisation ; de préférence, la longueur d'onde λ,2 correspondant à cette fréquence porteuse est peu supérieure au double d'une dimension radiale ERRMAX de ladite zone d'incertitude : λ 2 } ≈ 2 x ERRMAX Selon un autre aspect de l'invention, on utilise des fréquences radio pour localiser un pointeur mobile (déplaçable) par rapport à au moins deux antennes (et/ ou transducteurs) radio solidaires d'une base (et/ ou fixes par rapport à celle-ci) reliée à un système électronique, ainsi que pour transmettre au moins une donnée, telle qu'une donnée d'état d'un organe tel qu'un interrupteur équipant le pointeur, du pointeur vers la base et/ou inversement, la localisation comprenant de préférence une comparaison de phase d'un signal radio émis par le pointeur et reçu par les deux antennes radio solidaires de la base.
Différents procédés peuvent être utilisés pour localiser approximativement le pointeur par rapport à la base. Selon un premier mode de pré- localisation du pointeur, on opère de façon identique à celle définie précédemment pour la localisation de précis ion, en comparant la phase de deux signaux radio reçus par deux transducteurs intégrés ou reliés à la base et correspondant à l'émission par le pointeur d'une impulsion - ou d'un train d'impulsion -selon une première fréquence porteuse inférieure à la seconde fréquence porteuse utilisée ensuite pour la localisation de précision, c'est-à-dire de longueur d'onde λ i supérieure à la longueur d'onde λ 2 définie précédemment.
Selon un second mode de réalisation, on localise approximativement le pointeur par la mesure des différences de phase d'onde radio reçues par au moins trois antennes de transducteurs fixes et/ou intégrés à la base (méthode « hyperbolique »).
Selon un troisième mode de réalisation, on localise approximativement le pointeur par la mesure de l'atténuation d'au moins une impulsion radio transmise du pointeur à au moins deux transducteurs fixes et/ou intégrés à la base.
Selon un quatrième mode de réalisation, on localise approximativement le pointeur par calcul du temps de vol d'une impulsion radio - ou d'un train d'impulsions - entre le pointeur et chaque trans ducteur fixé et/ou intégré à là base.
Hormis le cas de la méthode hyperbolique, la détermination des coordonnées du pointeur, dans un repère à deux dimensions (2D) ou à trois dimensions (3D) lié à la base, comporte des calculs de triangulation.
Selon un cinquième mode de réalisation, on localise approximativement le pointeur par satellite ; à cet effet, le pointeur peut comporter un récepteur GPS.
Le système s elon l'invention peut comporter, ou non, des moyens pour synchroniser un oscillateur équipant le pointeur et/ou un transducteur radio séparé de la bas e ou relais et servant à produire un signal de porteuse, avec un oscillateur équipant ladite base ou relais et servant également à produire un signal de porteuse, pour la comparaison des phases des signaux radio échangés. A cet effet, ladite base ou relais, d'une part, et le pointeur, d'autre part, comportent chacun au moins une broche permettant, lors d'un arrêt momentané de l'utilis ation du pointeur, de raccorder temporairement les circuits de commande de l'oscillateur de la base avec les circuits de commande d'un oscillateur du pointeur qui peut être considéré comme l'unique référence (ou oscillateur « maître ») ; en outre, la base ou le pointeur peut comporter un comparateur de phase pour comparer les phases respectives du signal de l'oscillateur du pointeur mobile et du signal de l'oscillateur de la base ; ainsi, lors qu'un déphasage est constaté, un organe de commande intégré à la base ou au pointeur - tel qu'un microcontrôleur - peut commander la synchronisation de l'oscillateur « esclave » de Ia 1 base avec l'oscillateur « maître » du pointeur. De préférence, chacun de ces oscillateurs comporte une boucle à verrouillage de phas e (PLL ou « Phase Lock Loop »), ce qui permet d'obtenir un signal de porteuse très stable.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé dé localisation d'un pointeur mobile par transmission de signaux radio avec une base fixe ou transportable dans lequel on procède à une série de plusieurs transmissions de signaux radio, on effectue une comparais on de phase de signaux reçus par la base à chaque transmission de signaux radio, et on détermine une différence de phase moyenne à partir de la série de différences de phase déterminées respectivement pour chaque transmission de la série de transmissions ; ceci permet d'obtenir une meilleure précision de la localisation.
Selon un autre aspect de l'invention, chaque transducteur radio du système est en partie blindé afin de concentrer les rayonnements émis et reçus sur une partie d'antenne de faibles dimensions, pour réduire l'incertitude de mesure des coordonnées du pointeur à partir des signaux échangés entre les transducteurs ; de préférence, en outre, chaque transducteur comporte un circuit d'accord pour accorder les signaux à émettre à la géométrie de l'antenne et au blindage. Le système selon l'invention peut consister essentiellement en une base à deux transducteurs et un pointeur associé, tel que décrit dans la présente ; cependant, le système selon l'invention peut comporter en outre un troisième transducteur fixe et/ou intégré à la base, pour :
i) soit permettre une localisation dans un repère à deux dimensions qui soit plus précise qu'avec deux transducteurs seulement ; ii) soit permettre une localis ation par la méthode hyperbolique susmentionnée dans un repère à deux dimensions ; iii) soit permettre une localisation du pointeur (par une méthode autre qu'hyperbolique) dans un repère à trois dimensions.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le système comporte un transducteur radio séparé de la base, qui peut communiquer avec cette base (par exemple par signaux radio) et échanger avec le pointeur des signaux radio utilisés pour la localisation de celui-ci ; dans ce cas, ce transducteur radio séparé est intégré à un relais faisant partie du système, ce relais comportant des moyens de fixation mécanique réversible à un support, permettant de l'immobiliser pendant son utilisation en collaboration avec une base et un pointeur ; de préférence, ce relais comporte en outre un détecteur de mouvement du relais qui est connecté à un circuit de contrôle du relais, capable de transmettre à un circuit de contrôle de la base, une donnée indicative d'un déplacement du relais ; dans une telle circonstance, un circuit de contrôle de la base ou du pointeur peut avertir l'utilisateur par un signal d'alarme, pour le prévenir que, du fait du déplacement du relais par rapport à une position de référence préalablement déterminée, les transmissions avec le pointeur sont perturbées et ne peuvent être utilisées pour la localisation de celui-ci. '
Selon un autre mode de réalisation, le système selon l'invention peut être essentiellement constitué de deux tels relais et du pointeur mobile.
Selon un autre aspect de l'invention, le pointeur ou stylet est équipé de deux transducteurs radioélectriques et d'un émetteur d'un faisceau lumineux faiblement divergent tel qu'un faisceau laser ; le pointeur présente une forme allongée selon un axe longitudinal ; les antennes des transducteurs radio sont espacées selon cet axe, en particulier situées aux deux extrémités longitudinales opposées du pointeur, et l'émetteur lumineux produit ledit faisceau sensiblement selon cet axe longitudinal. Ceci permet la localisation, par l'appareil électronique auquel le système selon l'invention est relié, de la position de la tache lumineuse produite sur un écran par ce faisceau, par rapport à des éléments ou images projetés sur cet écran (par un vidéo-projecteur par exemple). Ceci permet d'engendrer une action de l'appareil électronique en fonction de l'élément ou image projeté(e) qui est pointé par le faisceau.
Les dimensions de la zone à l'intérieur de laquelle la localisation peut être effectuée dépendent notamment des fréquences utilisées ; de préférence, chacune des deux ou trois dimensions de cette zone est située dans une plage allant de 0,1 mètre à 1 mètre, 10 mètres ou 100 mètres. L'invention permet de réaliser un produit de localisation simple et précis pouvant être associé à des ordinateurs fixes ou portables, des PDA's ou des terminaux téléphoniques. L'invention permet de localiser avec précision un pointeur pouvant être matérialisé par un stylet pour écrire, désigner, dessiner ou pointer ; l'invention peut notamment être associée à des moyens de signature électronique et/ou d'authentification par reconnaissance d'écriture manuscrite. L'invention permet de proposer un outil de pointage pour géomètres, architectes, maçons, agriculteurs, un tableau d'école à « craie électronique » permettant à un cours d'être transmis en temps réel sur un ordinateur d'écolier par une liaison radio (wifi ou usb « wireless »), un dispositif de mesure de distances, un stylet électronique à grande portée, un interface pour jeux, un dispositif pour retrouver un objet perdu tel qu'un téléphone portable.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent dans la description suivante qui se réfère aux dessins annexés et qui illustre, sans aucun caractère limitatif, des modes préférés de réalisation de l'invention.
La figure 1 illustre schématiquement un système selon l'invention qui incorpore une unité de base, une borne relais déportée et un pointeur en forme de stylo. La figure 2 illustre schématiquement une zone d'incertitude entourant la position de l'antenne radio d'un pointeur et correspondant à l'incertitude de localisation de ce pointeur par une opération de localisation approximative par mesure du temps de vol entre le pointeur et deux antennes équipant respectivement deux émetteurs récepteurs d'une unité de base d'un système selon l'invention.
La figure 3 est un s chéma synoptique illustrant l'arrangement des principaux compos ants d'un pointeur d'un système selon l'invention La figure 4 est un s chéma synoptique illustrant l'arrangement des principaux compos ants d'une unité de base d'un sys tème s elon l'invention ; sur cette figure, un seul lia des deux transducteurs lia, 11b de la base a été représenté, pour ne pas nuire à l'intelligibilité de la figure
La figure 5 est un chronogramme simplifié illustrant des échanges de signaux radioélectriques entre deux trans ducteurs d'un sys tème selon l'invention, équipant respectivement un stylo/stylet et une bas e ou interface.
Par référence à la figure 1 notamment, le système selon l'invention comprend es sentiellement une base ou interface 10, I, ainsi qu'un pointeur ou stylet 14. La base est reliée par une liais on filaire 20 à un ordinateur 21 ; la bas e comprend deux trans ducteurs radio identiques lia et 11b ains i qu'un s ocle 22 conformé pour recevoir et/ou s 'appliquer contre une partie du stylet, pour permettre s a s olidaris ation temporaire à la bas e. Le socle comporte un connecteur (ou broche) électrique 16 ; la base c omporte un circuit 17 de c ommande et de calcul qui est relié d'une part à chacun des trans ducteurs lia et 11b, et d'autre part au connecteur 16 pour permettre le rac cordement de ce circuit avec les circuits intégrés au stylet en vue de la synchronisation de l'oscillateur du stylet avec un os cillateur maître fais ant partie de la bas e. Chacun des trans ducteurs comporte une antenne radio 12a, 12b. Le stylet 14 comporte un transducteur radio lie de structure identique ou s imilaire à celle des trans ducteurs de la bas e, ains i qu'un module 22 de commande du trans ducteur lie auquel il est relié ; le module 22 et le trans ducteur lie sont alimentés par une pile 23 intégrée au stylet ; le transducteur lie est relié à une antenne 12c radio identique ou s imilaire aux antennes 12a, 12b des transducteurs de la base ; le stylet comporte, en outre, un bouton 24 d'actionnement d'un interrupteur (25 figure 3) relié au circuit 22 de commande ; l'état de cet interrupteur est une donnée qui peut être trans mise à l'ordinateur 21 via la bas e 10 et les s ignaux radio 31 échangés par le stylet et la bas e, pour distinguer par exemple deux modes distincts d'utilisation du stylet tels qu'un mode « dessin » et un mode « déplacement s ans dess in ».
A titre d'exemple, un changement d'état d'un tel interrupteur peut être commandé par un s ignal is su d'un capteur sens ible à l'effort exercé par une pointe intégrée au pointeur sous l'action de la pression exercée par le porteur du pointeur sur une surface d'écriture s 'étendant à proximité de la bas e et/ou des relais . Le corps 14a du stylet renfermant les organes lie, 22, 23, ains i qu'une partie de l'antenne 12c s ont revêtus d'un blindage électromagnétique 14b. Le système illustré figure 1 comporte, en outre, un relais 30 renfermant un trans ducteur radio Hd et une antenne 12d reliée au trans ducteur Hd ; le relais 30 repos e sur un support 31, à distance de la bas e 10, I, avec laquelle des signaux radio 31 sont échangés ; alternativement, le transducteur
Hd du relais 30 peut être relié au circuit 17 de la base par une liaison 33 infrarouge ou filaire par exemple, pour transmettre au circuit 17 des signaux ou données représentatifs des signaux ou données échangé(e)s avec le stylet ; le relais 30 échange des signaux radio 31 avec le stylet 14, comme le font chacun des transducteurs de la base. La structure électronique du relais 30 est identique ou similaire à celles des transducteurs de la base qui sont décrits plus loin. Le relais 30 est temporairement fixé au support 31 par des moyens 32 de liaison tels qu'un adhésif'ou un aimant par exemple ; un détecteur (34 figure 4) de mouvement et/ou de choc est intégré au relais ; les signaux délivrés par ce détecteur sont transmis par les moyens de liaison sus mentionnés au circuit 17 de la base, afin de neutraliser les signaux ou données émises par ce relais lorsqu'un mouvement de celui-ci est détecté. Par référence aux figures 3 et 4 notamment, chacun des transducteurs lia et lie comporte une chaîne d'émission et une chaîne de réception.
Chaque chaîne d'émission comporte, successivement raccordés en série, dans l'ordre suivant : un amplificateur 40, un filtre 41, un circuit E4 d'amplification et filtrage passe-bande (étroit) de sortie, et un circuit El d'accord adapté à l'antenne 12a,
12b, 12c ou 12d. Cette antenne d'émission / réception est non directionnelle et verticale ; la longueur de sa partie non blindée est ajustée pour augmenter la précision en réception, éviter la réception d'échos, et permettre une meilleure sensibilité aux ondes à polarisation verticale qu'aux échos (dont le plan de polarisation change à chaque réflexion).
Chaque chaîne de réception comporte, successivement raccordés en série, dans l'ordre suivant : un sélecteur de canal E6 programmable par un micro contrôleur E24 en fonction du canal de transmission radio choisi, un filtre E5 passe bande étroit d'entrée qui est accordable sur le canal transmis par E6, et un amplificateur E7 en classe A de haute qualité qui est accordable sur la canal choisi.
La chaîne de réception de chaque transducteur de la base (et le cas échéant du relais) comporte, en outre, un comparateur de seuil E8 recevant les signaux délivrés par E7 et permettant d'éliminer les signaux trop faibles qui indiquent soit une interférence, soit un écho, soit un éloignement trop grand du stylo et un besoin d'utiliser des transducteurs plus proches pour trianguler, et un amplificateur E9 à contrôle automatique de gain permettant de modifier l'amplitude du signal pour l'adapter aux tolérances d'un comparateur de phase E lO recevant les signaux délivrés par E9. Les signaux délivrés par l'amplificateur E7 du pointeur 14 sont transmis au circuit E24 de contrôle par l'intermédiaire d'un démodulateur E16 et d'un décodeur E 19. A l'émission, un circuit codeur E 18 procède au codage de canal, à la mise en forme de données reçues du contrôleur E24 et à l'ajout de drapeaux avant modulation éventuelle par un modulateur E 17 du signal délivré par une boucle PLL et sa délivrance à l'entrée de l'amplificateur 40. Le démodulateur E 16 procède à la démodulation du signal reçu de l'amplificateur E7, E9 dans les phases de transmission de données ou drapeaux, hors des phases de localisation par mesure d'un déphasage. Le circuit 22 de contrôle du stylet 14 comporte, outre un micro contrôleur E24, un oscillateur E 12 à quartz contrôlé en tension, une boucle PLL E 13 calée sur une fréquence multiple de celle de l'oscillateur E12, qui fournit la porteuse, un circuit à fréquence accordable PLL/N de sélection de canal et un diviseur E22 de fréquence servant de référence à l'horloge E23 du micro contrôleur E24. Par référence à la figure 4, au moins un contact ou broche 16, E3 d'un connecteur associé au réceptacle porte stylet (repère 22 figure 1) est relié à un comparateur de phase E25 également relié à la boucle PLL maître E 13 du circuit 17 de commande de la base ; un contact (non représenté) activé lorsque le stylet est temporairement solidaire de la base par l'intermédiaire de ce réceptacle, provoque une mesure de la dérive de la PLL E 13 du stylet par rapport à la PLL maître de la base, qui est transmise au contrôleur E24 par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique numérique E26. Une synchronisation de la PLL E 13 du stylet est ensuite effectuée puis vérifiée à l'aide du comparateur E25. Le circuit 17 de commande intégré à la base 10 comporte le comparateur de phase E lO permettant d'effectuer une mesure de distance par mesure de déphasage dans la deuxième opération de localisation sus mentionnée ; lors de, l'opération de localisation approximative, ce comparateur peut servir à détecter la présence d'un écho (déphasé) : le signal délivré par ElO est transmis au contrôleur E24 par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique numérique E14 du circuit 17. Le circuit 17 comporte également un convertisseur E27 numérique analogique piloté par E24 ; lors d'une connexion des circuits du stylet à la broche E3, 16 du circuit 17, après contrôle de la synchronisation de l'oscillateur du stylet avec l'oscillateur maître E 13, le micro contrôleur E24 peut commander la synchronisation des oscillateurs par l'intermédiaire du convertisseur E27.
La commande du canal à sélectionner en réception est effectuée par E24 qui pilote une boucle PLL E 15 calée sur la boucle E 13 et à retour programmable, par décalage de la fréquence de E15. Un sélecteur E29 de voie, piloté par le contrôleur E24, applique une de ses deux entrées au comparateur de phase ElO : soit le signal de la boucle maître E 13, soit un signal délivré par une boucle E Il utilisée comme sommateur ; ceci permet de choisir le signal auquel sera comparé le signal reçu du pointeur et appliqué au comparateur ElO par la chaîne de réception du transducteur. Le circuit 17 comporte, en outre, un oscillateur commandé en tension (VCXO) E28 qui est utilisé pour provoquer la sommation dans la PLL E Il de décalages de phase successifs d'un train d'ondes reçues du pointeur, afin d'améliorer la précision de la mesure par la détermination d'un décalage de phase moyen ; à cet effet, le micro contrôleur E24 sélectionne (par E29) la sortie de E Il comme signal de référence pour E lO, et pilote le convertisseur numérique analogique E30 ; ce dernier applique les données correspondantes à E28 jusqu'à ce que le convertisseur E 14 indique un déphasage nul significatif de l'identité de phase de l'oscillateur du stylet avec E Il qui est calé sur E28. Le circuit 17 comporte également une boucle à fréquence programmable PLL/N qui reçoit de E24 des données de numéro de canal en émission, et qui reçoit le signal de référence de E 13. Le contrôleur E24 sélectionne par un sélecteur de voie E20 le signal transmis au modulateur E17 : soit l'entrée de E20 recevant le signal délivré par E Il si l'on souhaite cumuler des déphasages, soit celui délivré par la boucle PLL/N à fréquence accordable. Un compteur E21 reçoit le signal de référence délivré par E13 ; pour la mesure du temps de vol d'une onde radio entre le stylet et la base, ce compteur enregistre le temps cumulé mis pour échanger un nombre d'impulsions prédéterminé ; la durée cumulée est délivrée au contrôleur E24 et le compteur E21 est remis à zéro. Par référence à la figure 2, la localisation approximative de l'antenne 12c du pointeur dans un repère lié à la base peut s'effectuer par une mesure du temps de vol d'une onde radio échangée avec les antennes 12a et 12b des transducteurs de la base. La mesure du temps de vol entre l'antenne 12c et l'antenne 12a permet de déterminer un rayon Ra correspondant à la distance de l'antenne 12c estimée en fonction de ce temps de vol ; cette mesure étant entachée d'une erreur ERRA, permet d'établir que l'antenne 12c est située à l'intérieur d'une couronne circulaire CCA de rayon Ra, centrée sur l'antenne 12a, et de largeur égale au double de l'erreur ERRA.
De la même façon, la mesure du temps de vol entre l'antenne 12c et l'antenne 12b permet d'établir que l'antenne 12c est située à l'intérieur d'une couronne circulaire CCB de rayon Rb, centrée sur l'antenne 12b et de largeur égale au double de l'erreur ERRB entachant la mesure Rb. Ainsi, la zone d'incertitude ZI de localisation de l'antenne 12c par rapport aux antennes 12a et 12b correspond à l'intersection de ces deux couronnes ; cette zone, qui présente une forme de quadrilatère curviligne, est illustrée en traits forts interrompus ; sa plus grande dimension radiale ERRMAX est utilisée pour choisir la longueur d'onde à utiliser pour affiner ensuite la localisation par comparaison de phases d'ondes radio émises par l'antenne 12c et reçues par les antennes 12a et 12b.
Le fonctionnement du système selon l'invention est le suivant.
L'unité de base 10 du système, également dite interface I, comporte donc deux bornes ou transducteurs lia, 11b radio électriques comportant chacun une petite antenne 12a, 12b ; en variante, la base 10 peut comporter 3 ou 4 transducteurs (ou plus) pour augmenter la précision, et selon le type de localisation souhaité (2D ou 3D). On décrit dans ce qui suit un système de localisation d'objets dans un repère 2D mais un système similaire équipé d'une borne supplémentaire non alignée avec les précédentes permet d'effectuer une localisation 3D. De même, on se réfère par la suite à un stylet, mais l'invention peut s'appliquer à des petits objets mobiles (tels que des étiquettes) devant être localisés précisément.
On utilise dans un premier temps une technique de mesure du temps de vol d'une impulsion radiofréquence (RF) dont la précision est améliorée en réitérant s ucces s ivement les mesures (par exemple plus ieurs centaines ou milliers de fois ) dans un temps très court.
Dans un premier mode de réalisation, le stylet 14 poss ède une horloge 15 cadencée à P MHz (par exemple environ 200 ou 400 MHz) et calée sur l'horloge E23 de l'interface I. Un recalage de l'horloge du stylet sur celle de l'interface est effectué à chaque fois que le stylet est pos é sur le support 22 prévu sur l'interface ; à cet effet, dans cette configuration de s olidarisation temporaire du stylet et de la bas e, une broche 16 de la bas e, qui es t connectée au circuit 17 de commande intégré à la bas e I, est en contact avec une broche 18 du stylet qui est c onnectée au circuit 22 de commande intégré au stylet. Par référence à la figure 5, au Temps t=0, commun au deux horloges , le stylet envoie un s ignal radio ; une borne ( lia par exemple) de l'interface reçoit l'impuls ion au bout de Do/c secondes (durée mesurée par E21). La borne renvoie une impulsion en retour au stylo en respectant un délai précis lagt ; symétriquement, le stylet reçoit l'impulsion au bout de Do/c s econdes ; le stylet renvoie à s on tour l'impuls ion en respectant lagt et ains i de suite, N fois, (N >=1 étant connu de l'interface et normalis é en fonction de la précis ion requise) . La durée totale Dt mesurée par le compteur peut s 'exprimer par l'équation :
Dt= 2N . (Do/ c) +2N .ed +2N .ea + elck + efck + 2(N- I) . lagt + 2N . last ou Do es t la distance à mesurer , c, la célérité de la lumière, ed, l'erreur temporelle moyenne à l'émiss ion de l'échantillonnage, ea, l'erreur temporelle moyenne à la réception de l'échantillonnage, elck, l'erreur de chronométrage au lancement, qui est inférieure à 1/P Mhz et qui est rendue très faible par une synchronis ation préalable des horloges , efck, l'erreur de chronométrage final qui est de même inférieure à 1/P Mhz, lagt, qui est le temps d'attente c onstant entre deux impulsions et last , qui est la durée constante d'une impuls ion. On déduit de l'équation précédente la distance Do séparant les deux antennes respectivement ass ociées aux trans ducteurs considérés . L'erreur eDo sur la distance Do, ress ortant à : eDo ≈c. (ed +ea +(efck+elck)/2n) qui tend vers c(ed +ea) quand N augmente. On calcule ainsi la distance parcourue par le signal entre le stylet et la borne lia, connaiss ant préalablement le temps LAGT d'attente constant entre deux impuls ions et la durée LAST constante d'une impulsion. La pos ition approximative (xt,yt) du stylet est calculée ensuite en utilis ant une méthode de triangulation. L'incertitude ERRMAX sur la mesure, qui peut être de l'ordre de quelques dizaines de centimètres , peut être trop élevée pour l'application recherchée.
Dans un deuxième temps , la précis ion est améliorée en tenant compte du déphas age d'un autre s ignal radio émis par le stylet, avec une référence. Le stylet possède une PLL E 13S (boucle à verrouillage de phas e); l'interface pos s ède une PLL principale E 13M (ou PLL « maître ») et éventuellement, plus ieurs PLL « es clave » ass ervies à la PLL principale. Le cas échéant, la boucle à verrouillage de phas e peut être remplacée par un système équivalent ou supérieur, en ce qui concerne la stabilité et la précision des oscillations.
Dans un premier mode particulier de réalisation, le stylet a sa PLL en phase avec la (les) PLL(s) de l'interface I. La PLL du stylet est remise en phase sur la (les) PLL de l'interface I à chaque fois par exemple que le stylet est placé sur son support incorporé à l'interface. A un instant t de référence (t=0), le stylet émet une impulsion radio ; les bornes lia et 11b reçoivent ce signal radio non modulé avec des déphasages (φa et φb respectifs) proportionnels à leur distance au stylet. On a choisi la longueur d'onde X 2 de ce signal radio telle que λ2>2* ERRMAX, ERRMAX étant l'erreur de mesure maximale déterminant le rayon du cercle ou de la sphère (en 3D) d'incertitude de la mesure réalisée en premier lieu. La distance d entre un point S (correspondant à la partie non blindée de l'antenne radio du stylet) et un point Bj (correspondant à la partie non blindée de l'antenne radio de l'une des bornes lia, 11b réceptrices) peut s'exprimer selon la formule : d = K*λ2 + R* λ 2, où K est un entier positif et 0 <R<1.
Le stylet émet un signal synchronisé et la borne Bj reçoit une onde correspondant à cette émission, et calcule un déphasage avec son signal PLL synchronisé. L'interface I attend, sur la base d'une estimation préalable, un déphasage égal à R*2*7C. Par calcul, un calculateur intégré à l'interface I ou déporté dans une autre unité de calcul à micro processeur, une fois en possession du déphasage φ attendu et de f mesuré et connaissant X 2, détermine le sens et la longueur de l'erreur de la première mesure, ce qui permet ensuite de calculer pour chaque borne la distance au stylet de manière plus précise. Si l'on mesure les déphasages sur 360°, la condition sur la seconde longueur d'onde évoquée plus haut (λ.2>2 * ERRMAX) est nécessaire pour la validité de la mesure de distance ; on augmente la longueur d'onde X 2 de manière inversement proportionnelle, dans le cas ou la technique employée ne permet pas une mesure sur 360°. Cette longueur d'onde X 2 devra dépasser 2 *E RRMAX d'au moins deux fois l'erreur maximale qui peut être faite sur le . déphasage, lors de la première opération de localisation. Pour les mesures de phase, on utilise par exemple des comparateurs de phase à sortie sinus et cosinus, qui permettent la mesure sur 360°.
Si le comparateur de phase ElO a besoin en entrée de signaux d'amplitudes semblable, la précision est améliorée par l'utilisation d'un amplificateur E9 à gain automatique.
Dans une alternative à ce premier mode de réalisation, on synchronise préalablement une PLL esclave EIl de l'interface sur le déphasage f attendu et on relève, par le comparateur de phase ElO utilisant comme signal de référence le signal de
EIl, le déphasage avec l'onde incidente reçue du stylet, les conditions sur X 2 étant inchangées. Dans un autre mode particulier de réalisation, le stylet n'est pas préalablement synchronisé sur les horloges et PLL de l'interface ; le stylet peut donc ne pas comporter d'horloge. On utilise alors une impulsion provenant de l'interface et donnant l'ordre au stylet de renvoyer une impulsion en retour, qui est à son tour reçue par l'interface et ainsi de suite. La première impulsion est envoyée au temps t=0 par l'interface qui lance en même temps un timer de précision (voir figure 5). Au temps t+Tv, le stylet la reçoit, puis Lags μS après, envoie à son tour son impulsion, qui est reçue Tv fiS plus tard par l'interface, soit à t=2Tv+Lags. L'interface peut après un délai Lagi, relancer le processus aller-retour et ainsi de suite N fois. Au bout de N allers- retours, le temps total sera de t=(N- l) Lagi + N Lags + 2NTv (aux erreurs près) ; Tv représentant le temps de vol. La connaissance de Lags et Lagi, soit par construction, soit par transmission, permettra alors à μC de déduire Tv. Dans ce système, la précision sera très bonne, si l'on choisi convenablement P (la fréquence de l'horloge de l'interface) et N (le nombre d'émissions du signal). Le reste du processus se déroulera comme dans le mode de réalisation précédent en ce qui concerne l'estimation initiale du positionnement par temps de vol. La détermination du déphasage peut aussi s'affranchir de la synchronisation grâce à la présence dans le stylet d'un système permettant l'accord de fréquence et de phase de l'oscillateur local tel que par exemple, un comparateur de phase et un PLL avec VCXO comme dans l'interface: dans ce cas, une des bornes Bi envoie un signal de synchronisation à t=0 ; le stylet le reçoit à t + dt, cale son oscillateur local sur le signal reçu et le renvoie. Le déphasage attendu est égal à la somme de R* λ a/2"" TC (comme dans le précédent cas) et de φsync (qui résulte du délai de synchronisation dt). φsync est égal à φ ' (aux erreurs près). Le système sans synchronisation revient donc à un système synchronisé avec au niveau du retour à la borne Bi un déphasage attendu de 2 φ et un déphasage réel de 2 φ ', permettant comme précédemment de calculer la surestimation ou la sous-estimation de la distance, à condition que λ 2 >4*ERRMAX, au lieu de 2*ERRMAX dans le cas avec synchronisation. La technique ci-dessus a l'avantage de diviser l'erreur relative de comparaison de phase par 2, la mesure s 'appliquant sur 2 φ ' au lieu de φ' dans la version synchronisée. On utilise alors une longueur d'onde λ î au moins 2 fois plus grande que dans le premier mode de réalisation. Cette technique peut aussi servir à recaler de temps en temps le mode synchronisé, en calculant l'écart de ce mode avec le mode désynchronisé sur une position du stylet : cela permet lorsque cet écart dépasse un certain niveau, d'activer une alarme et générer une remise en phase à partir de l'analyse de l'écart.
Dans une variante de ce mode de réalisation, on dispose sur les bornes Bj de l'interface, d'un système de sommation de différences de phase (Ssdp). Ce système intègre l'écart de phase 2 φ ' provenant du premier aller- retour, et cale le PLL d'émission (PLLeBj) de chaque borne sur sa pulsation et sa phase 2 φ ' ; le PLLeBj renvoie une salve qui est renvoyée par le stylet et donne lieu à un nouveau décalage 2 φ ' qui s e cumulera au premier, ainsi de suite N fois, pourvu que N <π / φ ', car φt =
N.2. φ ', d'où l'on tire φ ' avec une meilleure précision car φ t » erreur du comparateur de phase dont l'autre entrée est évidement connectée sur la PLL principale (E 13M) de l'interface qui avait un décalage nul avec la PLLeBj à la première émission. On peut aussi prévoir, pour le Ssdp, un mélangeur suivi d'un filtre passe haut et d'un diviseur par deux, qui lui aussi somme le déphasage. Un autre sommateur de phase de précision peut également convenir. Le deuxième mode de réalisation et ses variantes, convient tout à fait si l'on souhaite intégrer l'unité de calcul principale au stylet et simplifier l'interface ou base. Dans cette configuration, chacune de ces deux bases doit également disposer des moyens de synchronisation en phase et fréquence de son oscillateur sur le signal reçu. Si le stylet ne peut traiter le signal que d'une base à la fois, on peut prévoir une gestion séquentielle par le stylet des temps de travail de chacune de ces bases. Ceci peut se faire par le biais d'ordre de type « token ring » émis par le stylet en RF à la base choisie. Ces deux premiers modes de réalisation et leurs variantes peuvent donner lieu à d'autres modes de réalisation dans lesquels la détermination de LAST, LAGT et N diffère :
- soit, ces données sont fixées par construction et connues de l'interface(cas préalablement exposé) ;
- soit, en variante du premier mode de réalisation, en posant le stylet sur son support et en lançant la rafale d'impulsions, l'interface connaissant précisément la position du support et donc Do, peut en déduire facilement LAGT, LAST et N ;
- soit, ces données sont fournies par protocole RF dans le cas de stylets capables de moduler numériquement la porteuse et de la démoduler en retour. Dans ce cas, on peut- utiliser plusieurs stylets ou un stylet possédant plusieurs antennes à localiser par interface, chacun donnant des délais différents pour être reconnu en même temps qu'un numéro d'identification. Un stylet à deux antennes situées à chaque extrémité permet notamment de déterminer les coordonnées d'un vecteur, et donc une direction de pointage ; un tel pointeur, associé ou non à un faisceau laser, permet de télécommander un objet et peut servir d'interface avec un système informatique. Le procédé de localisation peut alors comporter les opérations suivantes :
A t=0, le stylet envoie une première impulsion RF modulée numériquement avec les données N, LAST et LAGT ;
A t= tl >t , l'interface envoie un signale d'acquiescement au stylet (qui peut aussi éventuellement fournir l'énergie) et à t=t2 , l'interface envoie la première impulsion de d'horloge (si le stylet n'a pas d'horloge) qui démarre un cycle de N impulsions. L'interface et le(s) stylet(s) doivent disposer de systèmes de gestion de canaux multiples et être configurés pour ne pas transmettre de données pendant les phases de mesure de déphasage qui nécessitent un environnement RF « propre ». Une gestion des échanges radio avec les stylets de type « token ring » est applicable ; d'autres variantes peuvent impliquer une centralisation au niveau de l'interface qui joue le rôle de « serveur », les stylets étant des « utilisateurs». Dans les autres modes de réalisation décrits ci-après, seule la technique de la première mesure (approximative) de la position du stylet est différente, la méthode d'amélioration de la précision étant conforme à l'une des solutions exposées ci avant dans les deux premiers modes de réalisation.
Dans un troisième mode de réalisation, on utilise, pour la localisation grossière, une technique de mesure de déphasage sur des longueurs d'ondes appropriées :
Au temps t=0, le stylet qui possède une PLL (boucle à verrouillage de phase) d'émission en phase avec les PLL de l'interface (I), émet une impulsion radio ; les bornes reçoivent ce signal radio non modulé avec des déphasages par rapport à leurs PLLs, qui sont proportionnels à leur distance au stylet. On choisit la longueur d'onde du signal en fonction de la portée maximale (Pmax) de localisation voulue ; le calculateur de l'interface (I) calcule les distances séparant chaque borne du stylet et calcule ensuite la position (xt,yt) du stylet dans un repère lié aux bornes, en utilisant une méthode de triangulation classique, à partir des résultats donnés par les comparateurs de phases. La longueur d'onde λ i doit être supérieure à Pmax pour permettre d'identifier la position sans ambiguïté. Cette contrainte peut être supprimée en ajoutant à l'une des bornes de l'interface, un comparateur de seuil, afin de jauger le niveau du signal RF reçu (qui s'affaibli approximativement avec le carré de la distance), et de déterminer à quelle ondulation le déphasage mesuré appartient. Ce mode de réalisation, de part la nécessité d'une synchronisation préalable peut convenir pour l'estimation de distance initiale du premier mode de réalisation. La PLL du stylet peut être remise en phase sur les PLL de l'interface I à chaque fois que le stylet est placé sur son support et est en contact direct avec les circuits de la base. Selon un quatrième mode de réalisation et sa variante, on utilise, pour effectuer l'estimation grossière de la position, une méthode « hyperbolique ».
Le stylet est dans ce cas localisé en premier lieu en utilisant la différence de temps de vol du signal R.F. du stylet à au moins trois bornes pour calculer les différences de distances proportionnellement. La position du stylet est alors déterminée par des calculs d'intersection d'hyperboles. Le principal avantage de cette méthode est que la plupart des erreurs se compensent et permettent donc l'utilisation de composants électroniques moins coûteux. De plus l'immunité aux « ondes échos » est améliorée.
Dans la variante de ce mode de réalisation, les différences de distance entre le stylet et les différentes bornes sont mesurées par calcul de déphasage du signal R.F. :
Au temps t=0 , le stylet émet une impulsion radio ; les bornes reçoivent ce signal radio non modulé avec des déphasages ( φ) proportionnels à leur distance au stylet ; en choisissant la longueur d'onde du signal (λ), judicieusement par rapport à
Pécartement (a) , identique entre les bornes par exemple en choisissant a= λ /2, et en s'assurant que l'une des bornes Bo (toujours la même) est toujours la plus éloignée du stylet, on aura soit les bornes dans la même ondulation N avec des déphasages croissants en fonction de la distance au stylet et donc avec Bo avec le plus grand déphasage, soit, certaines bornes dans l'ondulation N et d'autres (dont Bo) dans l'ondulation N-I ; dans ce cas, les déphasages des premières sont tels que (p >TC et les dernières dont Bo auront un déphasage φ<7C. Dans tous les cas, le calculateur situé dans l'interface (I) peut, à partir des résultats donnés par les comparateurs de phases, en déduire les différences de distances. On choisit comme distance (a) entre les bornes, une valeur telle que : a = r+m λ avec r<λ et m entier positif ou nul.
Dans un cinquième mode de réalisation, on détermine la position grossière du stylet par satellite (GPS par exemple). On peut utiliser ensuite une longueur d'onde supérieure au mètre pour un premier affinage selon les modes d'affinage évoqués plus haut, suivi d'une longueur d'onde plus courte pour un calcul fin. Un des avantages est que les coordonnées trouvées sont intégrables directement dans le système géodésique mondial. Ce procédé requiert la présence d'un récepteur GPS dans le stylet. Lors de l'initialisation, le stylet est placé sur son support (sur l'interface) et génère une première position qui est mise en mémoire et qui est celle de l'interface dans les coordonnées mondiales. Ensuite, lors de l'utilisation, les coordonnées GPS transmises en RF par le stylet, sont comparées à celles de l'interface en mémoire pour en déduire la position du stylet par rapport à l'interface.
Dans les systèmes de détermination de distance présentés ci-dessus, l'erreur ou biais systématique de mesure peut être finement apprécié en posant le stylet sur son support dont les distances aux bornes sont précisément connues et en effectuant un grand nombre de fois le calcul de distance ; une distribution statistique caractéristique de l'erreur (de phase ou de temps de vol) peut être intégrée dans la mémoire du contrôleur E24 ou de l'ordinateur 21 pour affiner les calculs lors de l'utilisation normale. Les porteuses non modulées sont filtrées à la réception pour limiter au maximum les risques d'interférences. De plus, à l'initialisation, l'interface peut, avant de procéder aux échanges radio de localisation, scruter plusieurs canaux adjacents en réception, déterminer le ou les canaux les moins brouillés, et informer le (ou les) stylet(s) du canal à utiliser pour émettre la porteuse utilisée pour les échanges radio. Les porteuses modulées peuvent utiliser des modulations d'amplitude, de fréquence, de phase ou des combinaisons type « QPSK » ou autre, de phase et amplitude à la fois. Les modulations respectent les bandes passantes autorisées et, selon les modes de modulation, les bandes de Carson, les critères d'échantillonnage de « Nyquist-Shannon », la loi de Hartley-Shannon, notamment. Les transmissions entre la (les) interfaces, les bornes supplémentaires et l'informatique, peuvent utiliser les normes WIFI, les normes USB Wireless , les normes I Rd a, RS232, voir une communication par modem et téléphone portable. Les antennes s ont rac courc ies au maximum tout en étant accordées (surtout à l'émission) par circuit d'accord, pour permettre une s ortie et une entrée du rayonnement la plus localis ée poss ible, le reste des matériels (stylet et interface) étant blindé pour limiter les interférences . En multipliant le nombre de mesures (dans un temps très court), on bénéficie des lois d'échantillonnage clas s iques et donc d'une estimation affinée de l'erreur. L'alimentation électrique du stylet peut être pas s ive, par captation de l'énergie de l'onde incidente ou d'une onde RF spécialement émis e par une antenne spécifique de l'interface ou d'une antenne déportée ; elle peut aus s i s 'effectuer par piles (rechargeables ou non) ou cellules s olaires . L'alimentation électrique de l'interface et des bornes peut s 'effectuer par un port de l'ordinateur, par piles , cellules solaires , ou cordon. Une fois la précis ion améliorée, on peut chois ir d'augmenter la fréquence pour permettre l'utilis ation de comparateurs de phas e plus précis (en données métriques) et réitérer l'opération plus ieurs fois . On peut accroître la précision en ajoutant un émetteur d'ultras ons aux interfaces et un récepteur d'ultras ons au stylet, ou invers ement, pour permettre d'affiner grandement la précision à c ourte distance par un calcul de temps de vol, une fois la limite de précision par onde radio atteinte. La mesure du temps de vol peut se faire selon le même mode opératoire qu'en onde radio, à condition que le stylet ne bouge pas ou bouge très peu, le temps de vol de l'onde s onore étant cons idérable par rapport à ondes radio.
L'utilis ation d'un stylet pointeur comportant deux transducteurs radio' permet de pallier l'imprécision rés iduelle (millimétrique) en utilis ant un stylet de longueur appropriée : la précis ion angulaire augmente avec la longueur du stylet et/ou la distance entre les deux antennes du stylet. Un stylet à corps couliss ant ou téles copique permet d'accorder la précis ion angulaire au bes oin.
La zone de mesure peut être prédéfinie et formatée grâce au pointeur par un marquage orthonormé de la zone, ce procédé permet d'améliorer la précis ion de la localis ation en éliminant les éventuelles erreurs projetant des coordonnées issues de calcul hors zone de traitement et en étalonnant la zone de calcul.
Le mode autonome (dans lequel le pointeur est maître) permet de réduire sensiblement la taille de l'interface de base (voire de la réduire à une simple borne déportée de triangulation indépendante ou raccordé à l'unité de traitement par les moyens disponible (ports USB, USB Wireles s , "WIFI... ) ; dans ce cas , le pointeur comporte l'ens emble des éléments nécess aires à la localis ation en mode désynchronis é (mémoire, émetteur récepteur RF, calculateur de traitement... ) ; le pointeur peut dispos er d'une bas e (ou référentiel )de reconnaissance de caractère alphanumérique, celle- ci pouvant être téléchargée depuis et par l'intermédiaire d'une unité de traitement (PC, PDA, Mobile ... ) ; ce procédé permet de transmettre, non plus uniquement des points en mode graphique, mais directement un caractère ou symbole reconnu par une table (référentiel) de mise en correspondance. Cette base de reconnaissance de caractère peut être générée directement par l'utilisateur qui peut, depuis une unité de traitement, mettre en correspondance un échantillon de sa propre écriture cursive avec la table (référentiel) des caractère et symboles alphanumériques, et peut ensuite la télécharger dans le pointeur ou la conserver en mémoire dans un fichier de l'unité de traitement. Cela permet la réduction des données transportées par le pointeur (entre celui-ci et l'unité de traitement) si celui-ci dispose du référentiel de reconnaissance d'écriture (caractères, symboles) intégré dans son unité de mémoire autonome.
Une amélioration de la précision de la mesure de déphasage entre deux signaux
RF peut être obtenue par changement de fréquence vers le bas (« down converter ») ; ce changement de fréquence peut être réalisé par soustraction de la fréquence RF reçue avec la fréquence OL provenant d'un oscillateur local, dans un mélangeur symétrique équilibré, suivi d'un filtre passe-bas ; cela permet d'obtenir une fréquence plus basse en conservant le même déphasage. On peut ainsi utiliser des détecteurs de phase basse fréquence, plus simples a utiliser et plus précis. Une autre solution pour obtenir une fréquence basse, est d'utiliser une division de fréquence. Cette division de fréquence peut se faire par utilisation de bascules après mise en forme carrée du signal RF, mais l'utilisation de PLLs facilite cette opération: à titre d'exemple, si le PLL de l'oscillateur OL utilise une fréquence de 13.56Mhz en référence et utilise un diviseur par 32 sur sa boucle de retour, le VCO du PLL aura une fréquence de sortie de 433.92 Mhz en phase avec sa référence. Si l'on reçoit un signal RF à 433.92 Mhz, il suffit de le diviser par 32 pour obtenir un signal comparable avec la référence du PLL de l'OL. Les « imprécisions de phase » peuvent alors provenir des origines suivantes:
- l'erreur « Canal RF » due aux déséquilibres de la chaîne RF de l'antenne au Diviseur,
- l'erreur due au diviseur RF,
- l'erreur due au comparateur basse fréquence,
- l'erreur due au comparateur de phase du PLL OL basse fréquence,
- erreur de synchronisation phase/fréquence RF/OL.
En maintenant la somme de l'erreur du diviseur et de l'erreur PLL OL inférieure au gain de précision des comparateurs basse fréquence par rapport à un comparateur haute fréquence, on augmente la précision du traitement de façon importante.
L'invention peut être utilisée pour l'authentification de signature habituellement apposée au dos d'une carte à puce ; à cet effet, la signature est numérisée et sauvegardée dans une mémoire de la carte ; lors de la signature physique avec un stylet d'un système selon l'invention, le terminal (ou « sabot ») de règlement compare la signature produite et transmise par le stylet électronique, avec la signature enregistrée dans la mémoire de la carte, grâce à un logiciel de reconnaissance, puis accepte ou refuse le règlement. La sécurité peut être améliorée par la présence, dans une mémoire du stylo, d'une clé asymétrique codée devant correspondre à une autre clé asymétrique mémorisée dans la carte à puce.
On peut également enregistrer dans la mémoire de la carte à puce des données relatives à la manière dont la signature est tracée, telles que : départ, vitesse, rythme, arrivée, pression. Le terminal de paiement peut alors vérifier également la conformité des paramètres d'une signature avec ces données personnelles infalsifiables.
Afin de permettre d'utiliser le mode désynchronisé sur une longueur d'onde, de rayon d'incertitude au lieu d'une demi longueur d'onde du fait du double déphasage provoqué par l'aller et le retour, on peut utiliser le procédé suivant :
- une borne B2 qui reçoit et émet à nouveau un signal RF, est synchronisée à la mise sous tension avec une borne Bl et leurs signaux sont à peu près en phase ; lors de la réception du signal de la borne Bl, la borne B2 ajoute une donnée numérique informant la borne Bl destinataire, si le déphasage constaté est supérieur ou non à 180° ; dans ce cas, la borne destinataire effectue la somme du déphasage qu'elle constate avec le déphasage reçu qu'elle divise ensuite par deux (après éventuellement lui avoir ajouté 360° si le déphasage annoncé par la borne 1 était supérieur à 180°) pour obtenir le déphasage recherché ; un retraitement statistique des points incohérents permet ensuite d'éliminer les déphasages constatés proches de 180° ayant été estimés dans le mauvais quadrant ;
- par ailleurs, le bruit de phase («phase jitter») constaté sur un oscillateur à quartz, même contrôlé en température, peut contrarier l'obtention d'une précision suffisante, au-delà d'une seconde de fonctionnement ; pour permettre une mesure de phase précise, il faut donc avoir recours à un aller et retour comme décrit ci avant. Pour simplifier la borne destinée à renvoyer le signal à l'émetteur initial, sans risquer d'interférences entre l'émission et la réception, une solution est l'insertion de lignes à retard («delay lines») entre les amplis et filtres de réception et entre les amplis et filtres d'émission, pour suffisamment retarder le renvoi du retour. Pour que ce système soit efficace, il faut que les séquences émises soient courtes par rapport au retard crée par les lignes à retard. Cette technique permet de simplifier la borne en éliminant la nécessité de PLL et de phase d'accrochage.
Dans la description précédente, il est fait mention de la possibilité d'utiliser plusieurs longueurs d'ondes et de mesurer les déphasages avec des précisions et des portées différentes en fonction de celles-ci. Il est également envisageable de « mélanger » plusieurs fréquences selon un mode de modulation d'amplitude («AM») plutôt que d'envoyer séquentiellement des signaux de fréquences correspondantes, la sélection à la réception étant réalisée par filtrage et démodulation cohérente. Afin de limiter la largeur de bande, un mode de type BLR/BLA permet de supprimer l'une des deux sous porteuses et de conserver une sous porteuse modulée et la porteuse au moins partiellement. Par exemple, une modulation d'une fréquence porteus e de
2400 Ghz par du 15.6 Mhz permet au stylet de bénéficier d' une portée de 19m (longueur d' onde 15.6Mhz) et d' une bonne précis ion grâce à l'utilis ation de la fréquence porteus e pour affiner la pos ition.
On peut également, afin d' éviter d' avoir recours au temps de vol pour pré¬ pos itionner le stylet, chois ir de constamment faire fonctionner le stylet et de le suivre à partir d'un point initial connu en comptant les «tours de compteurs » des comparateurs de phas e. Ains i par exemple pour un comparateur de phas e 360°, à chaque fois que celui- ci revient de 359° à 0°, le compteur de distance s erait incrémenté de la longueur d' onde utilisée, et invers ement dans le cas d'une transition en sens invers e.
Afin de limiter les brouillages et autres perturbations, des méthodes de type DSSS(« Direct Séquence Spread Spectrum »), FHSS (« Frequency Hopping Spread Spectrum »), ou OFDM (« Orthogonal Frequency Divis ion Multiplexing ») peuvent être utilis ées . La méthode FHSS (méthode des s auts aléatoires de fréquence) en particulier, est bien adaptée à notre système et de plus, s imple à intégrer. Toujours pour limiter brouillage et bruit, on utilis era des préférence des antennes sur substrat à forte constante diélectrique (céramique par exemple), qui s ont moins s ensibles aux perturbations du milieu.
Il est décrit dans dans divers es parties de ce document, un mode d'acquisition de la fréquenc e et de la phase basé sur des P. L. L. asservies par une unité de calcul. Il faut noter que l'unité de calcul, n'est nullement obligatoire et peut être remplacée par une simple pompe de charge , qui ramènera automatiquement à 0 la différenc e de fréquence et de phas e de la P. L. L. ; ce type de système s 'intègre en un système nommé généralement « détecteur phase fréquence » .
II est fait référence, dans divers es parties de ce document, à des modes de détection de déphas age. Il est important de noter, que la notion de déphasage peut s 'appliquer à des signaux analogiques s inus oïdaux comme à des s ignaux numériques « carrés », et il peut y avoir pour des bes oins d'obtention de la meilleure précis ion, transformation de l'une en l'autre et réciproquement. La transformation d'un s ignal analogique en un s ignal carré, permettra par exemple, d'utilis er, des détecteurs phas e fréquence à « bas cules », très efficace et précis .
L'invention permet de propos er un pointeur autonome univers el disposant de tout de dispos itif, de localisation, de rec onnaiss ance de caractères et symboles , de traçage en mode graphique pouvant ainsi s 'interfacer success ivement à des unités de traitement de façon univers elle et autonome par des moyens normalis és (USB wireless, Bluetooth). Le procédé ainsi décrit peut être embarqué dans un ASICS (Application Spécifie Integrated Circuit) ou un FPGA (Field Programmable Gâte Array) et peut utilis er des technologies combinant des circuits analogiques et (ou) numériques .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de localisation d'un objet (14) mobile par rapport à au moins une unité de base (10, I) ou relais fixe ou relié(e) à un système électronique (21),
caractérisé en ce qu'on utilise la phase ou le temps de vol de fréquences radio pour localiser l'objet mobile par rapport à au moins deux antennes (12a, 12b, 12d) ou transducteurs (lia, llb, Hd) radio solidaires de l'unité de base ou du relais, et en ce que l'on utilise des fréquences radio modulées pour transmettre au moins une donnée entre l'objet mobile et l'unité de base ou relais, ou entre l'objet mobile et le système électronique.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on compare la phase des signaux radio reçus par les antennes en réponse à un signal radio émis par l'objet mobile, pour localiser l'objet mobile.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel un émetteur de l'objet mobile ou de l'unité de base ou relais procède à une émission de signaux radio qui sont reçus puis réémis par un récepteur de l'unité de base ou relais (respectivement de l'objet mobile) en conservant leur phase et leur fréquence, et on effectue une comparaison de phase des signaux reçus en retour par l'émetteur initial par rapport à l'émission originelle, lesdits signaux en retour étant à leur tour réémis par l'émetteur initial en conservant leur phase et leur fréquence, le processus étant réitéré plusieurs fois pour ensuite déterminer un écart de phase cumulé par rapport à l'émission originelle.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel :
- on effectue une première localisation approximative de l'objet mobile par rapport à au moins une unité de base ou relais par échange de premiers signaux radioélectriques (31) modulés ou non modulés, entre l'objet mobile et l'unité de base ou relais et selon une première précision, par mesure du temps de vol d'une onde radio, ou par une méthode hyperbolique ou par comparaison de phase, ou par positionnement par satellite, puis,
- on effectue ensuite ou concomitamment au moins une seconde localisation de l'objet mobile par rapport à cette unité de base ou relais par échange de seconds signaux radioélectriques (31) entre l'objet mobile et l'unité de base ou relais, selon une seconde précision qui est meilleure que la première précision.
5. Procédé selon Ia revendication 4 dans lequel lors de la seconde opération de localisation, on utilise une fréquence porteuse correspondant à une longueur d'onde ( λ î) adaptée aux dimensions de la zone d'incertitude (ZI) de localisation selon la première opération de localisation, et on compare les phases respectives de deux impulsions respectivement reçues par les deux transducteurs en réponse à une impulsion émise par l'objet mobile, pour localiser plus précisément l'objet mobile à l'intérieur de ladite zone d'incertitude de localisation.
6. Procédé selon la revendication 4 dans lequel les première et seconde opérations de localisation sont réalisées concomitamment, par séparation des différents signaux modulés de la porteuse.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel on utilise une onde radio porteuse dont la fréquence est située dans une plage allant de 100 MHz à 10 GHz.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel, avant de procéder aux transmissions radio de localisation de l'objet mobile, on scrute plusieurs canaux en réception pour déterminer un canal moins brouillé.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel on améliore la précision de la mesure de déphasage entre deux signaux RF par un changement de fréquence vers le bas réalisé par un convertisseur abaisseur de fréquence (« down converter »), ce changement de fréquence pouvant être réalisé par soustraction d'une fréquence RF reçue avec la fréquence OL d'un oscillateur local, dans un mélangeur suivi d'un filtre passe-bas, ou bien par division de fréquence.
10. Dispositif d'entrée de données ou coordonnées dans un appareil électronique (21) à l'aide d'un pointeur (14) mobile caractérisé en ce que le pointeur comporte des moyens (Ile, 12c) d'échange de signaux radioélectriques de localisation avec une unité de base (10, I) reliée ou intégrée à l'appareil électronique, ou avec un relais fixe, ainsi que des moyens d'échange de signaux radioélectriques modulés de données avec l'unité de base ou l'appareil électronique, et des moyens sensibles à la phase ou au temps de vol des signaux radioélectriques de localisation.
11. Dispositif selon la revendication 10 qui comporte :
- au moins une unité de base comportant un(e) premier(e) oscillateur ou horloge (E 13M), ainsi qu'un premier et un second émetteurs-récepteurs radioélectriques (lia, Hb),
- au moins un pointeur (14) comportant un(e) second(e) oscillateur ou horloge
(E13S), ainsi qu'un troisième émetteur récepteur radioélectrique (Ile),
les trois émetteurs récepteurs radioélectriques étant prévus pour émettre et recevoir des signaux radioélectriques (31) modulés à au moins une fréquence porteuse commune ainsi que des signaux radioélectriques non modulés de localisation.
12. Dispositif selon la revendication 11 dans lequel l'unité de base comprend des moyens de localisation de l'émetteur récepteur du pointeur par rapport aux deux émetteurs récepteurs de l'unité de base, ainsi que des moyens de synchronisation des première et seconde horloges, lesdits signaux radioélectriques échangés permettant la localisation du pointeur et la transmission de données, et l'unité de base est munie de moyens (20) de liaison avec l'appareil électronique pour transmettre à cet appareil des données permettant de calculer les coordonnées du pointeur dans un repère lié à l'unité de base.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, dans lequel l'unité de base d'une part, et le pointeur, d'autre part, comporte chacun au moins une broche (16, 18) permettant, lors d'un arrêt momentané de l'utilisation du pointeur, de raccorder temporairement les circuits (22) de commande d'un oscillateur du pointeur avec les circuits (17) de commande d'un oscillateur de l'unité de base, et l'unité de base comporte un comparateur de phase (E25) pour comparer les phases respectives du signal de l'oscillateur du pointeur mobile et du signal de l'oscillateur de l'unité de base, de sorte que lorsqu'un déphasage est constaté, un organe de commande (E24) intégré à l'unité de base - tel qu'un microcontrôleur - commande la synchronisation de l'oscillateur esclave (E 13S) du pointeur avec l'oscillateur maître (E 13M) de l'unité de base.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel chacun des oscillateurs comporte une boucle à verrouillage de phase.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, dans lequel chaque transducteur radio du système est en partie blindé afin de concentrer les rayonnements émis et reçus sur une partie d'antenne de faibles dimensions, pour réduire l'incertitude de mesure des coordonnées du pointeur à partir des signaux échangés entre les transducteurs, et chaque transducteur comporte au moins un circuit d'accord (E l) pour accorder les signaux à émettre à la géométrie de l'antenne et au blindage.
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, qui comporte, en outre, un transducteur radio (Hd) séparé de l'unité de base, qui peut communiquer avec cette unité de base et échanger avec le pointeur des signaux radio (E31) utilisés pour la localisation de celui-ci, ce transducteur radio séparé étant intégré à un relais (30) comportant des moyens (32) de fixation mécanique réversible à un support, permettant de l'immobiliser pendant son utilisation en collaboration avec l'unité de base et le pointeur.
17. Dispositif selon la revendication 16 dans lequel le relais (30) comporte en outre un détecteur (34) de mouvement du relais qui est connecté à un circuit de contrôle du relais capable de transmettre à un circuit (17) de contrôle de l'unité de base une donnée indicative d'un déplacement du relais.
18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 17, dans lequel le pointeur ou stylet est équipé de deux transducteurs radioélectriques et d'un émetteur d'un faisceau lumineux faiblement divergent tel qu'un faisceau laser, le pointeur présentant une forme allongée selon un axe longitudinal, les antennes des transducteurs radio étant espacées selon cet axe, en particulier situées aux deux extrémités longitudinales opposées du pointeur, et l'émetteur lumineux produit ledit faisceau sensiblement selon cet axe longitudinal, ce qui permet de désigner ou pointer une cible dans un espace à trois dimensions.
PCT/FR2005/002174 2004-09-03 2005-08-31 Procédé de localisation d'un objet mobile et dispositifs d'entrée de données utilisant ce procédé Ceased WO2006027478A2 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0409375 2004-09-03
FR0409375A FR2875025B1 (fr) 2004-09-03 2004-09-03 Procede de localisation d'un objet mobile et dispositifs d'entree de donnees utilisant ce procede

Publications (3)

Publication Number Publication Date
WO2006027478A2 true WO2006027478A2 (fr) 2006-03-16
WO2006027478A3 WO2006027478A3 (fr) 2006-06-01
WO2006027478B1 WO2006027478B1 (fr) 2006-07-20

Family

ID=34948790

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2005/002174 Ceased WO2006027478A2 (fr) 2004-09-03 2005-08-31 Procédé de localisation d'un objet mobile et dispositifs d'entrée de données utilisant ce procédé

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR2875025B1 (fr)
WO (1) WO2006027478A2 (fr)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5138118A (en) * 1991-05-06 1992-08-11 International Business Machines Corporation Pulsed pen for use with a digitizer tablet
US6784826B2 (en) * 2001-01-26 2004-08-31 Tera Research Incorporated Body motion tracking system
WO2002067240A1 (fr) * 2001-02-16 2002-08-29 Smart Lite Digital Solutions Ltd. Procede et dispositif pour dispositif de pointage inductif

Also Published As

Publication number Publication date
FR2875025A1 (fr) 2006-03-10
WO2006027478B1 (fr) 2006-07-20
FR2875025B1 (fr) 2006-12-01
WO2006027478A3 (fr) 2006-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2367022B1 (fr) Procédé et système de localisation d&#39;objets
EP3185110B1 (fr) Elément mobile hybride, procédé et dispositif pour interfacer une pluralité d&#39;éléments mobiles hybrides avec un système informatique, et ensemble pour système de réalité virtuelle ou augmentée
EP3227705B1 (fr) Dispositif électronique pour la localisation proche d&#39;un objet terrestre, et procédé de localisation d&#39;un tel objet
CN106537179A (zh) 用于确定不规则对象的大小的手持多传感器系统
FR2966251A1 (fr) Systeme d&#39;orientation et de positionnement d&#39;un recepteur electromagnetique
WO2006003294A1 (fr) Systeme de localisation ulb pour le secours aux victimes d&#39;avalanches.
CN111798503A (zh) 利用飞行时间相机同时进行数据传输和深度图像记录
EP3171195B1 (fr) Procédé de localisation d&#39;une balise
WO2016184806A1 (fr) Transmission de signal radiofréquence dans un système de localisation temps-réel
WO2018108837A1 (fr) Procédé et dispositif pour la détection d&#39;une impulsion d&#39;un signal
WO2018083070A1 (fr) Procédé et dispositif récepteur pour l&#39;estimation de l&#39;instant d&#39;arrivée d&#39;un signal radio, procédé et système de localisation
WO2006027478A2 (fr) Procédé de localisation d&#39;un objet mobile et dispositifs d&#39;entrée de données utilisant ce procédé
EP2653887B1 (fr) Système de radio adapté pour fonctionner dans une installation de radio altimétrie multiple
EP3109668B1 (fr) Appareil à main pour un utilisateur déficient visuel
EP2156209A1 (fr) Procédé et dispositif de détermination de l&#39; angle de relèvement dans un système de radionavigation de type tacan
EP0600796B1 (fr) Procédé de radionavigation et système de gestion de flotte de véhicules
EP0163346B1 (fr) Système de guidage terminal ou de recalage de position pour aéronef par mesures de distance et d&#39;angle
FR3101157A1 (fr) Mesure de distance basée sur phase avec temps d’acquisition constant
FR3105438A1 (fr) Mesure de distance basée sur la phase avec correction de composante continue
EP4374188B1 (fr) Dispositif et procédé de positionnement centimetrique d&#39;un mobile
EP0079280B1 (fr) Dispositif de compensation d&#39;une horloge locale et dispositif de radio-navigation, notamment OMEGA, le comprenant
EP1788357A1 (fr) Système de localisation d&#39;utilisateur pieton
EP2977790A1 (fr) Dispositif de géolocalisation
EP2166371B1 (fr) Dispositif et procédé de dénombrement d&#39;émetteurs électromagnétiques
FR3106664A1 (fr) Dispositif d’identification, de localisation précise et sélection d’un objet mobile parmi une pluralité d’objets situés à proximités.

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KM KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NG NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU LV MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 05798328

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2