[0001 ] TITRE : Dispositif et Procédé d’analyse de tir

[0002] Domaine technique

[0003] L’invention concerne le domaine de l’analyse de tir, et concerne un dispositif et un procédé permettant une analyse automatisée d’un tir, notamment dans le domaine de l’entraînement.

Etat de la technique

[0004] Lors des entraînements au tir, il est nécessaire de pouvoir rendre compte de manière fiable et en temps réel des tirs de projectiles qu’ils soient réels ou simulés. De telles exigences imposent certaines caractéristiques aux systèmes

d’analyse envisagés. Ceux-ci doivent disposer d’une précision comparable à celle qui serait obtenue dans des situations réelles, tout en étant peu intrusif, c’est-à-dire de nécessiter le minimum d’équipements supplémentaires montés sur l’arme utilisée.

[0005] Ces exigences doivent faire face à plusieurs verrous pratiques opérationnels comme le poids des équipements supplémentaires embarqués, les performances (précision et latence), l’autonomie du kit, mais aussi des verrous technologiques qui sont principalement la précision des données enregistrées et analysées, la fiabilité de l’analyse d’images, la puissance minimale de calcul embarqué dans le dispositif, le débit et la consommation de la liaison sans fil.

[0006] Actuellement, plusieurs méthodes existent pour simuler des projectiles lors de l’entrainement au tir. Une technique la plus couramment utilisée est le constat a posteriori de la justesse du tir. Si le tir est effectué sur une cible, alors celle-ci sert de support à la vérification de la justesse du coup tiré. Si le tir est porté sur une cible réelle, alors la justesse du tir est analysée par l’impact de la munition (réel ou via une bille de peinture par exemple). Une autre technique est de filmer la cible via un dispositif extérieur permettant à l’utilisateur de vérifier la justesse du tir. Une dernière approche est d’utiliser un système laser couplé au déclenchement du tir et analysé par un dispositif extérieur, par exemple au moyen de marqueurs montés sur les cibles potentielles qui émettent vers un système central l’information s’il y a impact ou non.

[0007] Les références suivantes sont une illustration de différents dispositifs de l’art antérieur : [0008] Le brevet EP 0985899 A1 propose un dispositif compact d'enregistrement d'images vidéo pouvant être monté sur un pistolet et utilisé pour enregistrer des images vidéo avant et après le tir du pistolet. Le dispositif d'enregistrement comprend une caméra comprenant un objectif et un capteur d'image vidéo. Le dispositif

d'enregistrement vidéo est monté sur le pistolet de sorte que la zone de visualisation de la caméra comprend la zone cible du pistolet. Le capteur d'image vidéo génère un signal électronique représentatif d'une image vidéo frappant le capteur respectif. La sortie du capteur d'image est traitée et généralement utilisée pour produire des données de trames successives qui sont stockées séquentiellement dans des emplacements d'une mémoire à semi-conducteur organisée en mémoire tampon circulaire alors que le dispositif d'enregistrement vidéo est dans un état actif. Lors du déclenchement du tir, des trames supplémentaires sont stockées dans la mémoire tampon pendant une courte période de temps et une partie de la mémoire tampon est utilisée pour conserver un enregistrement vidéo de la prise de vue avant et après l'événement. Des trames supplémentaires sont stockées successivement dans la partie inutilisée de la mémoire tampon.

[0009] Le brevet U. S. A. 8,022,986 de Jekel propose un dispositif de mesure de l'orientation d’une arme qui comprend un processeur configuré pour recevoir une première information de localisation indiquant les emplacements d'un premier point et d'un second point sur une arme, les premier et second points étant séparés par une distance parallèle à une l'axe de pointage de l'arme, et pour recevoir une seconde information de localisation indiquant les emplacements des premier et second points sur l'arme. Le processeur est en outre configuré pour recevoir des informations indiquant une première orientation terrestre et déterminer une seconde orientation terrestre correspondant à l'arme sur la base des première et seconde informations de localisation et des informations indiquant la première orientation terrestre. Les premières informations de localisation représentent un emplacement par rapport à un premier capteur à un premier emplacement et les secondes informations de localisation représentent un emplacement par rapport à un second capteur à un second

emplacement, et les premier et second capteurs sont séparés par une distance donnée.

[0010] La demande de brevet U. S. 2012/0178053 A1 de D’Souza et al. concerne une méthode et un système pour un système d’entrainement au tir qui prédit

automatiquement la balistique en s’appuyant à la fois sur des informations météorologiques et de distance automatiquement recueillis. Le système d’entrainement au tir de projectile confirme également que les efforts manuels effectués par un opérateur pour régler les tourelles permettraient d’atteindre ou non la cible après un tir. A la fois les réglages de la tourelle et les paramètres de la cible pour distinguer après un tir entre les états suivants : Touché ; Détruit ; Raté ; Presque raté. Un signal lumineux ou autre est envoyé de l'arme vers la cible pour indiquer qu’un tir a été effectué par l'arme.

[001 1 ] Les inconvénients des méthodes existantes sont que d’une manière générale, l’entrainement au tir nécessite de rendre compte du tir, en s’approchant le plus possible de la balistique réelle tout en s’affranchissant des dangers associés. Et de ce fait, l’analyse d’un tir peut se voir comme un problème de désignation où il faut être capable de labéliser une cible en passant à travers certains obstacles opaques et obstacles flous, ou encore en réalisant une trajectoire courbe.

[0012] Une méthode connue depuis plus de 20 ans pour aborder cette problématique consiste à équiper les cibles potentielles de capteurs photosensibles pouvant envoyer une information lorsque ceux-ci sont éclairés par un LASER. Les inconvénients de cette méthode sont multiples : atténuation du LASER sur les grandes distances, impossibilité de tirer à travers des obstacles flous (par exemple le feuillage), nécessité d’équiper la cible avec suffisamment de capteurs photosensibles, entre autres.

[0013] Pour être utilisable, une désignation numérique doit pouvoir simuler un tir en soumettant l’impact de la balle à une distribution aléatoire proche de celle qu’aurait un tir réel. Or, les techniques actuellement proposées ne permettent pas de résoudre ce problème de manière satisfaisante.

[0014] Par ailleurs, il s’agit également de pouvoir présenter les résultats d’un tir rapidement et de façon synthétique, en indiquant et identifiant quel objet d’une scène a été touché.

[0015] Il n’existe pas de système connu combinant les différentes technologies de détection, d’enregistrement, d’analyse d’images, pour un environnement intérieur et extérieur. Il n'existe pas de système complet permettant l’enregistrement et l’analyse en temps réel des coups tirés par une arme utilisable n’importe où, n’importe quand et n’impliquant pas d’autre modification de l’arme que l’ajout d’un kit autonome et démontable. [0016] La présente invention propose de répondre à ces besoins.

Résumé de l’invention

[0017] Un objet de la présente invention est de proposer un dispositif autonome en énergie et en calcul, capable de détecter le départ d’un coup et d’enregistrer via un dispositif électro-optique le lieu et la date de l’impact de la munition si celle-ci est présente ou la position simulée par calcul de l’impact dans le cas de l’utilisation d’une balle à blanc sans impact réel.

[0018] Avantageusement, le dispositif de l’invention est disponible sous forme d’un kit qui peut s’ajouter simplement sur les rails d’une arme (par exemple sur un rail MIL-STD 1913 « picatinny »).

[0019] Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé d’analyse précise de la performance d’un tir qui permet de générer en temps-réel un compte rendu sur la justesse d’un impact, et de l’enregistrer pour consultation ultérieure.

Les avantages du dispositif de l’invention sont multiples :

-il est miniaturisé, avec une architecture simple et extensible ;

- il est peu coûteux, en ce que d’une part les capteurs nécessaires à la réalisation du système proposé présentent un coût faible (des capteurs courants du commerce tels ceux équipant des smartphones par exemple peuvent être utilisés), et en ce que d’autre part, la capture d’image et les calculs associés ne sont réalisés qu’au moment du tir, permettant une économie d’énergie importante et rendant la solution proposée viable pour une application dans le domaine militaire ;

-il est embarqué et complètement autonome ;

- il peut être utilisé en tout lieu et tout temps, en environnement intérieur et extérieur sans instrumentation supplémentaire ;

- il peut être utilisé de jour comme de nuit grâce à l’utilisation de caméras IR ;

- l’environnement du tireur n’a pas besoin d’être instrumenté ;

- - il est compatible avec :

- - des munitions réelles ;

- - des munitions factices (billes de peinture par exemple) ;

- - des systèmes de simulation à air comprimé (de type « Airsoft »)

- le compte rendu peut être directement exploité par l’utilisateur sur un smartphone ou une tablette ou un casque de réalité virtuelle ; - l’analyse d’un tir est faite à partir de l’analyse du mouvement de l’arme et de la posture du tireur, un calcul de balistique est réalisé suivant les munitions utilisées, et il y a une identification précise, automatisée et en temps réel pendant le tir, d’un impact (quelle entité, quelle partie de l’entité) permettant de déterminer un niveau de dommage des impacts ;

- dans le cas d’une arme automatique à coups multiples (mitraillette), chaque impact peut être analysé individuellement ;

- le dispositif pouvant être déployé et utilisé n’importe où, sans instrumentation particulière ;

- il n’y a plus besoin de connaître la position ni la direction de l’arme.

[0020] L’invention trouvera une application avantageuse dans le domaine de la simulation, et plus particulièrement dans le cadre de l’entrainement militaire ou de la police, pour lequel il est nécessaire de pouvoir désigner des cibles de manière réaliste sans avoir recours à des projectiles réels pour des raisons de sécurité. De manière plus générale, l’invention peut également être mise en oeuvre pour une application dédiée à l’entraînement collectif militaire, avec des gabarits d’armes beaucoup plus importants que des armes légères telles que celle décrite comme exemple.

[0021 ] Dans un mode de réalisation, le dispositif de l’invention peut être couplé à un système d’effecteurs, permettant ainsi de simuler un impact sur une cible ou sur un individuel instrumenté par ce même effecteur, qu’il soit lumineux ou à vibrations.

[0022] Dans un mode de réalisation, le dispositif de l’invention peut être utilisé pour calculer une trajectoire dans des obstacles traversables (une porte, un feuillage, ...) et ainsi lever les limitations (imprécisions du laser à longue distance, et besoin d’une vue directe de la cible) d’un équipement laser (Simulateur de Tir de Combat STC laser).

[0023] Dans un mode de réalisation, le dispositif de l’invention peut être couplé à un ensemble de capteurs disposés au sol, et ainsi permettre de faire un calcul réaliste d’une trajectoire en prenant en compte des paramètres tels que le vent, la pression, l’humidité de l’air.

[0024] Pour atteindre ces objectifs, l’invention a pour objet un dispositif permettant

d’analyser l’impact d’un tir par arme sur une cible, comprenant :

- un module d’acquisition de données apte à déterminer le moment du départ d’un projectile d’une arme et à acquérir des données vidéo et spatiales relatives à une cible visée;

- un module de calcul et de stockage apte à analyser les données temporelles, vidéo et spatiales acquises ; et

- un module de transmission de données apte à transmettre les données analysées. Selon des modes de réalisation alternatifs ou combinés :

- le module d’acquisition de données est composé d’au moins une centrale inertielle apte à détecter le mouvement de la culasse de l’arme, d’un télémètre apte à acquérir des données de distance de la cible visée, au moins une caméra apte à acquérir des images en ligne de visée.

- le module d’acquisition de données comprend deux caméras multi-spectrales et multi-champs.

- le module de transmission de données permet une transmission par une liaison sans fil.

- le module de calcul et de stockage comprend au moins un calculateur, une capacité de stockage de données, une base de données d’apprentissage, et une horloge temps réel.

[0025] L’invention couvre aussi une arme de tir comprenant un dispositif tel que revendiqué.

[0026] L’invention couvre aussi un simulateur de tir comprenant un dispositif tel que revendiqué.

[0027] Un autre objet de l’invention est un procédé d’analyse de l’impact d’un tir par arme sur une cible, qui comprend les étapes suivantes :

- détection du déclenchement d’un tir;

- enregistrement de données d’image en ligne de visée avant le tir, immédiatement après le tir, et après le tir ;

- analyse de la résolution du tir par le traitement des données enregistrées immédiatement après le tir ; et

- analyse temporelle du tir par le traitement des données enregistrées

immédiatement après le tir, des données enregistrées avant le tir, des données enregistrées après le tir, et des résultats de l’analyse de la résolution du tir.

[0028] Dans un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de génération d’un rapport d’analyse de résolution de tir, et d’un rapport d’analyse temporelle de tir. [0029] Dans un mode de réalisation, le procédé comprend une étape d’envoi des rapports d’analyse.

[0030] L’invention dans un autre aspect couvre un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code non transitoire permettant d’effectuer les étapes du procédé tel que revendiqué lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.

Description des figures

[0031 ] Différents aspects et avantages de l’invention vont apparaître en appui de la description d’un mode préféré d’implémentation de l’invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous :

[0032] [Fig.1 ] illustre schématiquement le dispositif de l’invention dans un mode de réalisation ;

[0033] [Fig.2] illustre schématiquement les fonctions générales opérées par les différents composants du dispositif de l’invention ;

[0034] [Fig.3] illustre schématiquement la phase d’enregistrement des données selon un mode de réalisation du procédé de l’invention selon; et

[Fig.4] illustre schématiquement la phase de traitement des données selon un mode de réalisation du procédé de l’invention.

Description détaillée de l’invention

[0035] D’une manière générale, pour répondre à la problématique évoquée, le dispositif (100) de l’invention est montré sur la figure 1 comme équipant une arme. Il est constitué principalement:

- d’un module d’acquisition de données (102, 104, 106, 108) ;

- d’un module de stockage et de calcul (1 10) ; et

- d’un module de transmission de données (1 12).

[0036] De manière plus précise, dans un mode de réalisation du dispositif de l’invention pour équiper une arme, le module d’acquisition de données est composé au moins d’un télémètre (102) apte à acquérir des données de distance d’une cible (10), au moins une caméra (104, 106) apte à acquérir des images en ligne de visée et au moins une centrale inertielle (108) de type IMU 3 axes apte à détecter le mouvement de la culasse de l’arme au moment d’un tir. Cependant, le module d’acquisition de données peut être adapté en fonction du contexte opérationnel, tel que par exemple pour des tirs à courte portée, il ne requière qu’une seule caméra à champ large, et une IMU. Dans un autre mode de réalisation, le module comprend deux caméras (104, 106) ayant des largeurs de champ différentes, une à champ large et l’autre à champ étroit.

[0037] Le module de stockage et calcul (1 10) permet l’analyse, le traitement et le stockage de données. Dans un mode de réalisation il est composé d’un calculateur utilisant des ressources de type CPU et de type GPU (dédié à des calculs effectués par des réseaux de neurones par exemple), d’une base de données d’apprentissage (208) comprenant des informations relatives à des cibles (personnes, véhicules, ...) utilisées pour les calculs de détection de cible, et d’une capacité de stockage de données (210). Le module de calcul comprend aussi une horloge temps réel qui permet de garantir une datation précise et sans dérive des données collectées.

[0038] Le module de transmission de données (112) permet une communication vers un dispositif distant, de manière préférentielle par une liaison sans fil.

[0039] La figure 2 illustre schématiquement les fonctions générales opérées par les différents composants du dispositif de l’invention, et les figures 3 et 4 les détaillent.

[0040] Le procédé d’analyse débute par la détection du déclenchement d’un tir (202). La mesure du moment du départ d’un projectile est faite par les capteurs de la centrale inertielle (108) qui détectent le mouvement de la culasse de l’arme, i.e. les vibrations simultanées sur les trois axes.

[0041 ] La détection de l’instant de départ du tir déclenche l’enregistrement (204) des vues par la ou les caméras (104, 106). La cible (10) visée par le canon est enregistrée numériquement par voie électro-optique au moyen préférentiellement de plusieurs caméras, lesquelles sont à la fois multi-spectrales (visible / infra rouge) et multi-champs, et ce pendant tout le temps du déplacement de la munition ainsi qu’après l’impact. Afin de déterminer la ligne de visée, le dispositif utilise une image à champ large et une image à champ étroit réelles, les images étant obtenues lors du pointage capté par le système de caméras haute résolution multi spectrale. Le basculement champ

large/champ étroit se fait automatiquement sur un critère de distance afin d’assurer la résolution optimale pour la segmentation ultérieure (214) de l’image. De manière préférentielle, deux caméras sont utilisées, chaque caméra étant calibrée de manière indépendante pour permettre la correction de parallaxe et de balistique par le module de calcul. [0042] L’enregistrement numérique vidéo (204) fait par l’ensemble des capteurs est stocké et analysé (206) directement par le calculateur (1 10) embarqué dans le dispositif. Le calculateur qui analyse les images issues des caméras est apte à :

- calculer la position d’impact dans l’image ;

- détecter et reconnaître les éléments touchés dans l’image (personnes, animaux, objets).

[0043] L’homme de l’art comprend que la présente invention peut s’implémenter à partir d’éléments matériel et logiciel. Les traitements de données peuvent être effectués par un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code non transitoire.

[0044] Un mécanisme de synchronisation permet de synchroniser les données enregistrées par l’ensemble des composants afin d’assurer la cohérence des

informations de débriefing.

[0045] Les images sont stockées sur la mémoire embarquée (210). Si le mode de diffusion est activé, ces images sont transmises (212) en temps réel pour analyse et segmentation (214) à un dispositif extérieur (216) afin de contrôler l’évolution du pointage avant et après le tir.

[0046] Le fonctionnement du système peut être découpé en deux grandes phases : une première phase d’enregistrement des données représentée par la figure 3, et une deuxième phase de traitement des données représentée par la figure 4.

[0047] La phase d’enregistrement des données comporte la séquence d’étapes suivantes:

301 : Déclenchement du tir : l’opérateur appuie sur la détente de l’arme.

302 : Détection du Tir :

- - l’accéléromètre (IMU) détecte le mouvement de la culasse ; et

- - le calculateur interprète le mouvement de la culasse sur une fenêtre temporelle pour en déduire le déclenchement du tir par comparaison avec une signature de tir pré enregistrée.

- 303 : Enregistrement des données « A » disponibles immédiatement après le tir :

- - récupération dans un buffer circulaire de l’image au moment du tir. Cette image est notée image‘C’ (comme centrale) ;

- - acquisition de la distance à la cible grâce au télémètre ; et

- - génération d’un paquet de données «A» envoyées au calculateur pour traitement. - 304 : Enregistrement des données « B » disponibles‘M’ secondes après le tir :

- - déclenchement d’une boucle d’attente de M secondes. Dans un mode de réalisation, le paramètre‘M’ peut être fixé à M=1 seconde ;

- - à la fin de l’attente, récupération dans le buffer circulaire des

images correspondantes à‘N’ secondes avant le tir et aux‘M’ secondes après le tir. Dans un mode de réalisation, le paramètre‘N’ peut être fixé à N= 2 secondes ; et

- - génération d’un paquet de données «B» envoyées au calculateur pour traitement.

- 305 : Fin de l’enregistrement

[0048] La phase de traitement des données illustrée par la figure 4, comporte deux séquences de traitement effectuées dans des processus séparés (400, 410). Une première séquence (400) est dédiée à la résolution du tir. Elle est très rapide (de l’ordre de la durée de vol de la munition) et ne s’appuie que sur les données «A» disponibles immédiatement après le tir. Une deuxième séquence (410) de traitement est plus lente et permet une analyse temporelle du tir. Elle s’appuie sur les données «A» et «B» et sur la première séquence, et permet de générer un rapport de tir.

[0049] La première séquence (400) de traitement des données « A » permet une analyse de la résolution d’un tir, et comporte les étapes suivantes :

- 401 : Détection des objets présents sur l’image C via des algorithmes de détection et de reconnaissance. Cette étape permet d’identifier des cibles statiques, des humains, des éléments de mobilier intérieur ou urbain, des armes, des véhicules, etc...

- 402 : Calcul balistique. Cette étape permet de déterminer la position touchée dans l’image C par la munition, en utilisant les données du télémètre, les informations de projection de la/les caméra(s) et le profil balistique de l’arme et de ses munitions.

- 403 : Détection de l’objet cible : si un objet détecté à l’étape précédente est présent à la position touchée dans l’image par la munition (calculée à l’étape 6), le procédé passe à l’étape suivante 404, sinon le processus de la première séquence s’arrête et les informations de balistique sont communiquées à la deuxième séquence.

- 404 : Identification de la cible (personne connue, cible d’un certain type, véhicule particulier, ...). Dans le cas d’un objet comportant des sous-parties identifiées, le procédé permet d’identifier la sous-partie touchée. Par exemple, pour un humain, un bras, un tronc, une jambe ou une tête.

- 405 : Tracé et enregistrement des données d’identification et de balistique sur l’image C. Communication de ces informations pour la deuxième séquence. - 406 : Etablissement d’un rapport à destination de la cible touchée pour l’avertir qu’elle a été touchée.

- 408 : Envoi optionnel du rapport par liaison sans fil.

[0050] La deuxième séquence (410) de traitement des données permet une analyse temporelle du tir, et comporte les étapes suivantes :

- 41 1 : Calcul du flux optique pour en déduire la déviation de l’arme en pixel, avant et après le tir.

- 412 : Utilisation des paramètres de projection de la caméra pour calculer le

mouvement angulaire de l’arme (en degrés).

- 413 : Utilisation des informations de distance à la cible pour calculer le mouvement linéaire du point de visé dans le repère de la cible (en mètre).

- 414 : Agrégation et tracé des informations de tir sur l’image C :

- - mouvement de la ligne de visée ;

- - données d’identification de cible (si disponible) ;

- - point d’impact calculé par la balistique ;

- 415 : Génération de données de qualimétrie sur le tir effectué:

- - déviation de l’arme ;

- - score de tir si la cible touchée permet l’établissement d’un score ;

- - autres ...

- 416 : Etablissement d’un rapport de tir numérique: génération d’un rapport synthétique (image, fichier de données) ;

- 418 : Optionnellement envoi par liaison sans fil (4G, 5G, Bluetooth, wifi) à un ordinateur distant (tablette, smartphone, casque de réalité augmenté) pour visualisation par un instructeur ; et

- 420 : Sauvegarde du rapport sur mémoire statique, type mémoire flash.

[0051 ] La présente description illustre un mode de réalisation de l’invention, mais n’est pas limitative. L’exemple a été choisi pour permettre une bonne compréhension des principes de l’invention, et une application concrète, mais n’est pas exhaustif mais la description doit permettre à l’homme du métier d’apporter des modifications et variantes d’implémentation en gardant les mêmes principes. Ainsi, par exemple, il est

envisageable des extensions des fonctionnalités du système par ajout par exemple d’un système de positionnement de joueurs dans le cas d’un entraînement collectif impliquant de grands déplacements.