LiDAR 2D avec capteurs Temps de vol

Le concept de temps de vol (ToF – Time-of-Flight) est une méthode de mesure de distance sans contact entre un objet et un capteur, basée sur le temps écoulé entre l’émission du signal et son retour après réflexion sur un objet. Cette technologie trouve une utilisation dans presque toutes les disciplines de l’ingénierie, notamment la robotique, les applications automobiles, la détection de présence, la technologie médicale et la navigation optique.

Les capteurs ToF utilisent plusieurs signaux, la lumière et le son étant les plus utilisés. Les capteurs ToF centrés sur la lumière ont globalement été remplacés par le terme plus précis LiDAR. L’automatisation des ports, les systèmes de protection des objets et les systèmes de gestion du trafic sont quelques applications des LiDAR. De nombreux dispositifs LiDAR disponibles sont basés sur des mécanismes de détection, par exemple, LiDAR 1D, 2D et 3D. Cet article présente le concept de base du ToF, ses avantages et un exemple d’application : LiDAR 2D utilisant des capteurs ToF.

Concept de base et avantages du ToF :

Les capteurs ToF calculent la distance en mesurant le temps nécessaire à une impulsion de lumière pour se déplacer de la source jusqu’à la cible observée, puis revenir au détecteur. La figure 1 illustre la procédure dans laquelle un laser vise des photons de lumière sur une cible. Quelques quanta de lumière, après avoir heurté la cible, sont réfléchis vers le capteur. La formule suivante calcule le temps de vol :

Valeur de distance = temps de parcours des photons/2x la vitesse de la lumière

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Figure 1 : Principe du temps de vol

Les capteurs ToF utilisent le temps pour calculer les distances. Cette mesure est le temps nécessaire aux photons pour se déplacer entre deux points. Deux techniques sont employées pour calculer le temps : ToF direct ou ToF indirect. Les capteurs ToF basés sur les deux méthodes offrent des avantages spécifiques dans des contextes particuliers. Les deux mesurent simultanément la distance et l’intensité de chaque pixel de l’objet. Les capteurs ToF directs transmettent de courtes impulsions lumineuses qui durent quelques nanosecondes et calculent le temps écoulé nécessaire au retour de la lumière émise. Le temps est directement calculé via une base de temps précise. Le LiDAR est un exemple de capteur ToF direct.

Le ToF direct, malheureusement, est difficile à concevoir et incapable de s’adapter correctement à des résolutions élevées. Les capteurs ToF indirects communiquent une lumière continue et modulée. La différence de phase de la lumière réfléchie est calculée pour déterminer la distance de l’objet. Une phase dans l’onde lumineuse est un moment particulier du cycle de forme d’onde et est mesurée en tant qu’angle en degrés. Un cycle complet atteint 360°.

Un capteur ToF détecte les objets avec précision et instantanément. La température, l’humidité et la pression de l’air n’affectent pas ses calculs. Il peut donc être utilisé en intérieur et en extérieur. Il fournit des mesures de distance précises. Cette technologie n’est pas affectée par les variations de voie optique, l’éclairage ambiant et la réflectance de l’objet cible.

LiDAR 2D avec capteur Temps de vol :

LiDAR signifie « Light Detection and Ranging » (détection et localisation par la lumière), une technique de calcul où la lumière est utilisée pour mesurer la distance de l’objet le plus proche. Pour mesurer directement la distance, les capteurs sont dirigés vers un réflecteur ou une cible particulière. Les capteurs qui traitent une seule dimension (distance) grâce à cette technique sont appelés capteurs 1D ou unidimensionnels. La rotation du mouvement du faisceau de mesure sur un niveau indique l’angle et la distance, fournissant ainsi un résultat en deux dimensions. Les capteurs utilisés pour de telles mesures sont généralement connus sous le nom de capteurs LiDAR 2D ou de scanners laser 2D. Ils détectent les valeurs mesurées dans un « ordre séquentiel », généralement à un intervalle de temps égal entre les mesures.

Les capteurs LiDAR, lorsqu’ils sont pivotés, fonctionnent dans la troisième dimension. L’action de pivotement offre des informations sur la position et la distance le long des axes X, Y et Z. Des informations identiques peuvent être extraites sur différents paramètres spatiaux si plusieurs systèmes d’émetteurs et de récepteurs positionnés sur différents capteurs balaient des angles horizontaux pendant le mouvement. C’est ce que l’on appelle un scanner multicouche.

Nous allons maintenant discuter du LiDAR 2D basé sur neuf capteurs ToF longue distance VL53L1X. Il crée une carte de profondeur d’environnement simple avec un champ de vision (FoV – Field of view) à 180°. Un tel système peut être conçu à l’aide de l’API VL53L1X ULD (interface de programmation d’application de pilote ultra légère), avec un ensemble de fonctions C contrôlant un seul capteur VL53L1X ou de multiples capteurs VL53L1X. Cette application LiDAR 2D est un excellent exemple de la façon d’administrer un grand nombre de capteurs.

Le système complet est préparé à l’aide du combiné P-NUCLEO-53L1A1 avec la carte d’extension X-NUCLEO-53L1A1 et le STM32F401RE NUCLEO, comme illustré sur la figure 2. Les neuf capteurs sont connectés aux cartes de dérivation VL53L1X et partagent une interface I2C, une masse et une alimentation identiques. Chaque broche de réinitialisation de capteur se connecte à une broche GPIO hôte allouée.

Chacun des neuf capteurs possède un champ de vision de 20° pour couvrir le champ de vision total de 180 ° du LiDAR et le firmware est programmé pour fournir 13 points de données par capteur. Ainsi, un balayage complet à 180° créerait 117 points de données au total. Le budget de synchronisation est d’environ 12 ms par « zone » de capteur, ce qui équivaudrait à un temps de balayage total d’environ 160 ms. Cela donnerait une fréquence d’images d’un peu plus de 6 FPS. Fonctionnement du système LiDAR

Figure 2 : LiDAR 2D avec plusieurs capteurs VL53L1X

Le LiDAR 2D est utilisé dans plusieurs applications, notamment les véhicules autonomes, l’agriculture, l’étude des rivières, la modélisation de la pollution, l’archéologie et la construction de bâtiments.