Stages "Expo.01"

Eté 1999


Scanning Laser Range Finder
Capteur de distance basé sur un principe de triangulation
Jean-Christophe Zufferey, Microtechnique

But

L'objectif de ce projet réside dans la mise au point d'un Scanning Laser Range Finder (SLRF) capable de remplacer les petits capteurs infra-rouges de proximité ou les capteurs Sharp. Il doit se montrer quasiment insensible à la lumière ambiante et aux matériaux, et doit être capable de faire une cartographie de l'environnement, afin de déterminer, par exemple, si l'objet détecté est un robot ou un mur... La distance utile de mesure se situe entre 20cm et 2m. Pour un descriptif plus détaillé des performances, veuillez vous référer au cahier des charges provisoire.

Principe

Le système est basé sur un principe de triangulation :
 
  • Statiquement, une diode laser (~1 à 5mW) émet un faisceau droit devant le robot ; un capteur photosensible (ligne de cellules photosensible ou PSD), précédé d’une lentille, est placé au même niveau que la diode mais décalé latéralement de telle sorte qu’un changement de la distance d’un objet devant le robot se traduit par un changement de position du rayon incident (par diffusion sur l’objet) au niveau du capteur.

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  • Dynamiquement, pour le scanning, un miroir tournant autour d'un axe vertical sera placé en face du système. Le dispositif sera orienté de telle sorte que le rayon laser (réfléchit par le miroir tournant) balaye horizontalement l’espace environnant. Un circuit électronique permettra de moduler la diode laser afin d'amoindri la sensibilité à la lumière ambiante.
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    Développement

    Le capteur :

    La principal problème dans cette application est la vitesse d'acquisition de la distance. En effet, si l'on veut atteindre 10 scannings par seconde avec une valeur de la distance à chaque degré (sur ~180°), il faut atteindre environ 2000Hz. Si l'on prend une caméra linéaire de 102 pixels (Type TSL), cela requière une cadence de conversion A/D de l'ordre de 200kHz. Avec une modulation (différence entre l'image avec source lumineuse et sans), afin de rendre le système indépendant à la lumière, nous atteignons 400kHz. Le temps d'intégration (temps d'exposition des cellules photosensibles) est, au maximum, de l'ordre de 0.25ms. Cette dernière valeur est à comparer avec le temps d'intégration typique du TSL : 5ms.

    On voit là le problème de ce type de capteur. De plus, même si l'on trouve des convertisseurs A/D allant jusqu'à 1MHz, à cette cadence, il devient périlleux de traiter l'information au niveau du microcontrôleur. C'est pour cette raison que l'on s'est tourné vers un autre type de capteur : le  PSD  (dont la sortie indique la position du centre d'inertie de la lumière incidente).
    Le développement a donc commencé par une étude approfondie de ce senseur à une cellule photosensible rectangulaire, permettant de diviser par 100 les cadences invoquées ci-dessus. (pour une comparaison plus approfondie et générale, je vous propose de consulter le paragraphe intitulé "Comparison between a PSD and a CCD5" et figurant sur cette page)

    Les constructeurs ne fournissant plus de chip prêt à l'emploi pour le traitement du signal, il a fallu concevoir une interface électronique. Le premier étage d'amplification est assez délicat, notamment au niveau de l'offset des amplificateurs opérationnels (AO) car la sortie de ce capteur consiste en deux courants de l'ordre du dixième de microampère. La moindre différence de potentiel aux bornes du PSD provoque un courant parasite.

    La position du centre de gravité de la lumière incidente sur le PSD étant proportionnelle à (U1-U2)/(U1+U2), U1 et U2 représentants les deux sorties, différents concepts d'acquisition de cette l'information par un microcontrôleur (convertisseur A/D) ont été envisagées :

  • Convertir chaque sortie séparément et calculer (U1-U2)/(U1+U2) au niveau du microcontrôleur : assez simple pour l'électronique d'interface, problématique pour le microcontrôleur (8 bit) car la différence est beaucoup plus petite que la somme.
  • Transmettre (U1-U2) et (U1+U2) : le même problème d'ordre de grandeur se pose.
  • Utiliser un diviseur analogique et fournir une seule valeur au processeur : plus difficile à réaliser au niveau électronique, beaucoup plus simple à traiter au niveau du soft.


    • Finalement, un système modulé sera certainement utilisé. On aura donc accès à la différence entre les valeurs de sorties avec la source lumineuse ON et OFF.

    L'émetteur :

    Pour la source de lumière, deux solutions ont été envisagées :
  • Une LED (Light Emmitting Diode) infrarouge : intéressant car bon marché, problématique car pas suffisamment directionnel et puissant.
  • Une diode laser : assez cher (~200.- SFr.) mais produit un spot bien définit, même à grande distance. Possibilité de moduler et d'obtenir une grande puissance d'émission durant un temps très court.

    • Le système global :

  • Avec miroir circulaire tournant à 45° par dessus : trop encombrant.
  • Avec miroir oscillant : compliqué et bruyant.
  • Avec miroir rectangulaire allongé tournant : bonne solution car la longueur du miroir est identique à la distance séparant la source lumineuse et le capteur PSD; son épaisseur peut être très petite (diminution de la traînée et donc du bruit et de la consommation; de plus, facile à monter sur un circuit imprimé, donc pas de mécanique compliquée.

    • Calendrier de réalisation

    En cours de réalisation :

    Un circuit imprimé de base (sans émetteur, miroir tournant et processeur) sera réalisé dans le prochain mois (septembre 99). Ses principales caractéristique seront :
  • Alimentation en 0-12V non-stabilisés (batterie), production du +8V, -8V (nécessaire pour l'électronique analogique) stabilisés en local.
  • PSD à une dimension sur la carte. Optique avec support à visser directement sur la carte.
  • Possibilité de moduler avec un signal TTL.
  • Sorties : U1, U2, (U1on-U1off)=U1', (U2on-U2off)=U2', (U1'-U2')/(U1'+U2'). on/off indiquant source alumée/source éteinte.
  • Plages de sortie réglables par potentiomètres entre 0 et 5V (compatible HC11).

    • Suite du développement :

    La livraison de la diode laser étant prévue pour le mois d'octobre 99, la suite du développement se fera durant la fin de l'année :
  • Elaboration de l'électronique de puissance (pics de 10A) pour la diode laser.
  • Essai de capture de la distance avec modulation synchrone de la diode et du PSD.
  • Réalisation du système avec miroir.
  • Implémentation du programme (assembleur) de gestion du module pour le microcontrôleur local.
  • Réalisation du circuit imprimé.

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