Cela semble une certitude : dans l’Industrie du futur, l’homme va
travailler au plus près de machines de nouvelle génération comme
les robots collaboratifs. Les machines en mouvement vont aussi
collaborer entre elles, voire interagir avec leur environnement
en pleine autonomie. Pour en arriver là, il est indispensable
de disposer de systèmes réactifs permettant de mesurer les
distances… à l’instar des télémètres à laser, les LiDAR.
Dans un nombre croissant d’applications
industrielles, il n’est pas envisageable
de mesurer la distance à une cible par
contact direct. C’est le cas par exemple lorsqu’il
s’agit de mesurer la présence d’objets sur un
tapis transporteur ou d’apprécier les distances
de sécurité autour du ou des bras d’un robot
industriel. Les solutions les plus répandues pour
mesurer une distance sans contact sont les
courants de Foucault, les ultrasons et la lumière.
Les systèmes de télémétrie par laser ou LiDAR
(Light Detection And Ranging) reposent sur le
temps que met la lumière à accomplir un allerretour
entre l’émetteur-récepteur et la cible
puisque la vitesse de propagation des ondes
électromagnétiques est évidemment connue1.
Un système de type LiDAR peut être construit
en se basant sur un convertisseur analogiquenumérique
(ou ADC pour Analog-Digital
Converter ) à haute vitesse ou un convertisseur
numérique de temps (ou TDC pour Time Digital
Converter ).
Un convertisseur numérique de temps
peut prendre la forme d’un timer dans un
microcontrôleur ou un microprocesseur, d’un
composant FPGA (Field-Programmable Gate
Array ) ou plus simplement encore, d’un circuit
intégré spécialisé.
CONSIDÉRATIONS
OPTIQUES
Pour concevoir l’étage électronique d’un
télémètre à laser, il est nécessaire de tenir
compte des propriétés optiques qui ont une
incidence sur le système. Ainsi, les champs de
vision des lentilles d’émission et de réception
doivent se chevaucher. Cette exigence définit
la distance minimale de détection.
Il peut être nécessaire de corriger
l’astigmatisme de la diode-laser afin de collimater le faisceau émis. Sans cette
précaution, le rayon diverge, ce qui réduit la
distance maximale de détection. Des éléments
optiques complémentaires peuvent encore
être nécessaires pour concentrer l’énergie
reçue par la photodiode sur sa zone active.
La structure mécanique des diodes laser oblige
la lumière à diffracter en sortant du substrat
semi-conducteur puisque la fente est plus
large dans le sens horizontal (voir schéma). Les
diodes laser étant le plus souvent empilées
verticalement, la fente horizontale crée un
faisceau diffractant ayant un angle vertical plus
large que l’angle horizontal. Cette différence
de divergence entre l’axe vertical et l’axe
horizontal, conduit à la nécessité de corriger
l’astigmatisme.
En s’appuyant sur ce qui précède, on peut
appliquer l’équation modélisant un radar en
l’adaptant à un système LiDAR tel que :
PRX est la puissance reçue par l’élément de
détection du système LiDAR quand PTX est
la puissance transmise par l’élément actif du
LiDAR.
GTX est l’efficacité de l’élément de transmission
et GRX est l’efficacité de l’élément récepteur.
R est le rayon de l’élément récepteur optique
et partant, лR² est donc sa surface.
2л est l’angle solide auquel la lumière est
diffractée par la cible et D est la distance entre
la cible et l’élément de détection.
L’hypothèse ici, est que toute l’énergie émise
atteint la cible. En l’absence de lentilles
corrigeant la divergence du faisceau, la
puissance reçue PRX serait alors fonction de
1/ D4 et non plus, 1/D2.
LUMIÈRE AMBIANTE,
LONGUEUR D’ONDE ET
PLAGE DE DÉTECTION
MAXIMALE
A la surface de la terre, la lumière du soleil a
une densité de puissance de 0,62913 W/ m²
à une longueur d’onde de 905 nm qui
correspond à la lumière infrarouge émise par
les diodes laser. Si l’on prend pour référence,
un capteur équipé d’une lentille réceptrice d’un
diamètre de 15 mm, ce dernier recevra 1,4 μW
s’il est face au soleil, sachant qu’il s’agit de la
pire situation possible.
Bien qu’il faille tenir compte de la lumière
ambiante pour évaluer le seuil de saturation du
récepteur, il faut encore considérer la réflexion
et les diffractions causées par la cible.
Si l’on s’appuie sur l’équation précédente,
il est possible d’évaluer la puissance reçue
par le capteur en fonction de la distance en
assumant les valeurs suivantes :
GTX = 1 si la lumière est parfaitement
collimatée, ce qui revient à dire que la totalité
de la puissance émise atteint la cible.
GRX = 0,5 A/W ce qui correspond à une valeur
moyenne permettant de caractériser la
sensibilité de l’élément photorécepteur.
PTX = 70 W en se basant sur les fiches
techniques des diodes laser déjà utilisées dans
les systèmes LiDAR.
R = 15 mm en tant que valeur de rayon pour
l’objectif du récepteur.
Une photodiode génère un faible courant
proportionnel à la puissance reçue qui atteint
typiquement un demi-ampère par watt (0,5
A/W). En se basant sur le tableau des puissances,
on peut considérer qu’un courant de seulement
0,4 μA sera généré pour une cible éloignée d’une
centaine de mètres.
Pour disposer d’une grandeur utilisable tout
au long de la chaîne d’exploitation du signal,
il faut relier la sortie du photorécepteur à un
amplificateur de transimpédance qui avec un
gain élevé, va transformer le faible courant
généré en tension. Par exemple, un circuit
intégré tel que l’OPA857 de Texas Instruments
présente un gain de 5 000 ou 20 000, selon le
mode sélectionné. En appliquant le gain maximal
avec une cible située à 100 mètres, la tension de
sortie peut atteindre 8 mV.
PRÉCISION DES MESURES
ET TRAITEMENT DU SIGNAL
Au-delà du bruit sur le signal d’entrée, du bruit
électronique et de la fluctuation du signal
(gigue), il existe aussi une erreur de précision
spécifique à la mesure du temps d’impulsion.
Il faut considérer que, comme le temps de
montée du signal transmis est fini, le temps de
montée du signal reçu sera lui aussi fini. Cela
signifie que ce dernier passera par une tension
de seuil matérialisant la détection, avec un
temps de retard qui sera proportionnel à la
différence d’amplitude existant avec le signal
émis. Cet effet de seuil est montré par la Figure 2
au temps t1 et t2 des signaux émis et reçu.
Un système basé sur la conversion numérique du
temps, repose sur l’enregistrement des instants
où les fronts montants et les fronts descendants
traversent le seuil de détection. Cette seule
information suffit à réaliser un traitement
numérique pour le calcul du temps de vol.
Différentes possibilités peuvent être
envisagées afin d’accroître la précision et la
robustesse des signaux dans le cadre d’une
conversion numérique de temps. Constituant
le principe central du convertisseur numérique
de temps, le traitement appelé corrélation
de domaine temporel, conduit à dégager des
informations à partir des fronts montants et
descendants du signal.
La corrélation du domaine temporel est
similaire à une corrélation classique en ce sens
qu’il devient possible de calculer le temps de
vol, même en présence de bruit.
L’unité centrale lit les valeurs de cycle
délivrées par le circuit convertisseur
numérique de temps qui ne changent qu’en
présence d’un changement d’état de 0 à 1
ou de 1 à 0. Le seuil de déclenchement du
comparateur devra être au moins trois fois
supérieur au niveau de bruit pour espérer
s’affranchir des faux positifs et des faux
négatifs.
La mise au point de systèmes de mesure
des distances, basés sur le temps de vol de
la lumière comporte des difficultés mais
le domaine d’application, qui s’ouvre aux
expérimentateurs est l’un des plus vastes
existant actuellement, spécialement dans le
domaine de l’automatisation industrielle.
