LiDAR : Capteurs de distance par lumière et par laser

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LiDAR : Capteurs de distance par lumière et par laser

Il est souvent essentiel pour les robots de pouvoir comprendre ou parcourir leur environnement afin de fonctionner correctement. Bien que de nombreux capteurs permettent aux robots d’entrevoir leur environnement, l’une des catégories de capteurs gagnant rapidement en popularité rassemble les capteurs de mesure de distance/détection d’objets par lumière et par laser (LiDAR). Dans cet article, nous allons passer en revue les différentes caractéristiques et les divers types de capteurs, leurs cas d’utilisation habituels, ainsi que certains des produits dotés de ces fonctionnalités que nous proposons actuellement.

Caractéristiques des capteurs de distance

Pour sélectionner correctement le type de capteur de distance par lumière convenant à votre application, vous devez détailler vos besoins précisément (ou adapter votre projet légèrement afin qu’il corresponde au capteur disponible/choisi). Voici quelques-uns des principaux éléments à prendre en compte lors du choix d’un capteur de distance par lumière ou par laser :

Prix

Ce n’est certainement pas la caractéristique la plus importante du point de vue technique, mais il constitue néanmoins un facteur important pour réaliser un projet, surtout compte tenu de la large gamme de prix. Si un capteur répondant à toutes vos exigences ne correspond tout simplement pas à votre budget, il peut être préférable de réexaminer votre conception et de voir si d’autres capteurs peuvent satisfaire ces nouvelles exigences. C’est une étape courante lors de la première ébauche d’une conception de projet et le mieux est de commencer à petite échelle, de prototyper et de voir ce qui est vraiment nécessaire. Parfois, le meilleur capteur (et le plus cher) est trop envahissant ou trop complexe pour les besoins qu’il satisfait.

Distance maximale

RB - Laser - Distance maximale

Distance maximale

Il s’agit probablement de la caractéristique que les clients prennent en compte en premier le plus souvent. En effet, c’est un facteur assez important pour de nombreuses applications. Cependant, comparer des capteurs basés sur la distance maximale ne se résume pas à voir lequel possède la plus grande valeur de distance maximale. De nombreux capteurs indiquent généralement leur portée maximale à une réflectivité de 90 % sur une surface plane, lisse et perpendiculaire. Il s’agit, bien sûr, d’une situation très idéale. En règle générale, ces tests sont également effectués en intérieur, dans un environnement sans interférence d’autres sources de lumière. D’autres produits indiquent une portée maximale moyenne basée sur une série d’essais, tandis que d’autres spécifient une portée maximale à une réflectivité de 10 %, ce qui signifie que vous pouvez généralement vous attendre à une portée maximale plus importante dans les applications réelles. Comme vous le verrez ci-dessous, d’autres facteurs peuvent également affecter la portée maximale ! Par conséquent, lorsque vous comparez la distance maximale pour ce type de capteur, faites attention aux détails et lisez les sections pertinentes dans les fiches techniques fournies.

Distance minimale

RB - Laser - Distance minimale

Distance minimale

Cette valeur n’est pas souvent indiquée et encore moins discutée, mais généralement, ces capteurs possèdent également une distance de détection minimale. Lorsqu’un objet est placé à une distance plus proche que cette distance, ces capteurs rapportent la valeur de la distance de différentes façons, en fonction de la technologie utilisée et de la conception choisie par le fabricant. Certains capteurs indiquent simplement la distance minimale lorsqu’un objet est trop proche, alors que d’autres indiquent 0. Certains peuvent même entrer dans un état indéfini et indiquer une valeur complètement différente. Bien sûr, comme mentionné ci-dessus, il est important de consulter les détails dans la documentation et d’en tenir compte lors du processus de sélection. En règle générale, plus la portée maximale du capteur est grande, plus la distance minimale est également grande, en raison des caractéristiques des composants optiques nécessaires pour mesurer la distance à longue portée.

Précision

RB - Laser - Précision

Précision

La précision correspond généralement à l’exactitude des mesures du capteur comparées à la distance réelle mesurée. Bien sûr, celles-ci varient également en fonction de plusieurs facteurs, la distance étant un facteur important. La plupart des capteurs possèdent habituellement deux ou plusieurs « plages » de précision, généralement une plage fixe pour les portées courtes et une seconde plage, variable, pour les portées plus longues (telles qu’un pourcentage de la distance). Tout comme la distance maximale, celles-ci sont également affectées par la réflectivité de la cible.

Résolution

La résolution représente la façon dont les données sont rapportées. Généralement, elle est indiquée dans les mêmes unités que la précision. Bien que la précision soit très importante, la résolution rapportée est également essentielle pour traiter les données de manière utile. Très souvent, les capteurs rapportent des données dans une unité spécifique (ex : résolution centimétrique), mais possèdent une précision moins bonne à longue portées, par exemple ± 5 cm. Par conséquent, dans un tel cas, vous obtiendrez une valeur en cm, mais vous devrez également tenir compte de la précision pour analyser les données obtenues correctement.

Interface

L’interface est également un élément important à prendre en compte, car vous devez vous assurer que vous pouvez communiquer avec votre capteur. Un grand nombre des capteurs que nous proposons possèdent une interface UART. D’autres utilisent l’USB directement, SPI, I2C ou même une connexion Ethernet. Assurez-vous que l’interface (et le protocole) utilisés par le capteur correspondent à l’interface et aux capacités de votre système. En règle générale, la plupart des cartes microcontrôleurs possèdent toutes ces interfaces (sauf peut-être pour Ethernet) ; cela ne pose donc pas de problème en général. Le problème survient souvent lorsque vous commencez à intégrer un robot ou un système complet (et peut-être même complexe) et que vous réalisez que vous manquez d’un type d’interface, qui se trouve être celui dont vous avez besoin pour votre capteur. Par conséquent, nous vous recommandons de planifier et de vous assurer que votre choix de capteur est compatible avec les interfaces dont vous disposez dans votre projet.

Exigences d’alimentation

L’une des autres caractéristiques souvent négligées est l’alimentation. Pour de nombreux capteurs, les spécifications concernant leurs exigences d’alimentation de fonctionnement sont énumérées (parfois uniquement les exigences de courant et de tension). Mais, il convient de noter que beaucoup d’entre eux nécessitent plus d’alimentation au démarrage/lors de l’initialisation et souvent, lorsque ces exigences ne sont pas satisfaites, le capteur ne fonctionne pas ou fournit des données invalides, telles que des zéros uniquement, pour toutes les mesures. Il est également important de noter que certains capteurs possèdent des exigences spécifiques concernant les niveaux de tension d’entrée, à la fois pour leur entrée d’alimentation et pour les lignes E/S, qui doivent être respectées. Cela peut également comprendre des exigences avancées, telles que le bruit de tension maximal (de crête à crête).

Immunité aux interférences

RB - Laser - Interférence

Interférence

Les robots et les autres systèmes nécessitant des capteurs de mesure de distance doivent éventuellement fonctionner dans divers environnements. Par conséquent, il est important de s’assurer que le capteur que vous choisissez fonctionnera correctement dans l’environnement dans lequel il sera utilisé. Sinon, il est important d’être au moins conscient des limitations et de l’impact de certains environnements sur votre capteur. Par exemple, un grand nombre des capteurs que nous proposons sont conçus pour être utilisés uniquement en intérieur. S’ils sont utilisés à l’extérieur, à la lumière directe du soleil, ceci peut réduire considérablement leur portée maximale et leur précision, ou même les empêcher de fonctionner complètement (ce qui est plus rare, mais peut se produire). Pour la plupart des capteurs pouvant être utilisés à l’intérieur et à l’extérieur, deux ensembles de spécifications sont indiqués : l’un pour l’utilisation en intérieur et l’autre pour l’utilisation en extérieur (généralement avec des valeurs moins bonnes). D’autres sont conçus directement pour être utilisés en extérieur et disposent d’une protection complète de la lumière du soleil (tels que ceux pouvant supporter 100 000 lx ou 100 klx, ce qui correspond pratiquement à la lumière directe maximale du soleil).

Environnement

Maintenant que vous savez quels capteurs peuvent être utilisés dans l’environnement de votre robot, le capteur que vous choisissez pourra-t-il fonctionner correctement en présence d’éléments rendant les conditions difficiles, tels que l’eau et la poussière ? Un grand nombre de nos capteurs sont de qualité amateur et sont conçus uniquement pour être utilisés en intérieur, dans un environnement sec et sans poussière. Certains de nos capteurs les plus robustes (et généralement plus professionnels/chers) résistent mieux aux facteurs météorologiques et à la poussière que les capteurs plus abordables. Si votre robot fonctionne dans un environnement poussiéreux ou humide, nous vous conseillons de rechercher le code/indice IP du capteur pour déterminer si celui-ci répond à vos besoins. De plus, si votre configuration comprend des vibrations importantes, nous vous suggérons également de vérifier si le capteur que vous avez choisi peut les supporter et pendant combien de temps il peut fonctionner dans ces conditions.

Poids et taille du capteur

Bien sûr, si le capteur répond à toutes vos autres exigences, il est important de vous assurer qu’il peut vraiment s’intégrer à l’intérieur de votre robot ou système et qu’il ne le surcharge pas ! La plupart de nos capteurs sont des dispositifs à semi-conducteurs assez légers (à boîtier plastique et non métallique), donc le poids n’est généralement pas un problème pour la plupart des applications stationnaires et mobiles. Bien sûr, si vous voulez utiliser le capteur dans une application à faible consommation, près de l’effecteur d’extrémité d’un membre robotique (ex. : bras robotique) ou d’un robot volant (tel qu’un quadricoptère), le poids est un facteur plus important.

Fréquence de rafraîchissement/mesure

Ceci ne pose généralement pas de problème important avec les capteurs à un ou plusieurs faisceaux, mais engendre souvent des difficultés avec les capteurs de mesure de distance rotatifs. Cette caractéristique peut générer deux problèmes : 1) la sortie du capteur sera-t-elle suffisamment rapide pour mon application et 2) mon système pourra-t-il traiter la quantité de données qu’il recevra ? En ce qui concerne le premier point, il est important de vérifier la documentation du capteur portant sur la fréquence de rafraîchissement et sur sa relation avec la portée maximale, la précision et la sortie des données. S’il s’agit d’un capteur rotatif, la résolution angulaire est également importante pour déterminer le nombre de mesures que votre système recevra du capteur. En ce qui concerne le second point, il est important de vous assurer que votre système pourra traiter la quantité de données que le capteur fournira. Dans certains cas (par exemple avec des capteurs à faisceau unique), vous pouvez tout simplement ne pas lire ou ignorer les données qui ne sont pas nécessaires. Dans les cas où vous utilisez un capteur rotatif, ceci peut être plus difficile à faire sans perdre de points de données (ou sans rendre le traitement de ces données plus complexe).

Taille/forme du faisceau

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Divergence du faisceau

Dans certains cas, vous devez tenir compte de l’objet de taille minimale que le capteur peut détecter. Cela devient particulièrement important à plus longues portées, où un faisceau peut tout simplement avoir trop divergé pour pouvoir détecter de petits objets. En vérifiant la documentation, vous devriez trouver des informations concernant la divergence du faisceau exprimée en pourcentage sur la distance ou en milliradians (ou mil ou mrad). À l’aide de ces chiffres et de notions de trigonométrie de base, vous devriez pouvoir déterminer rapidement la taille du faisceau à une certaine distance.

Capteurs à faisceau unique

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Capteurs à faisceau unique

Ces capteurs produisent un seul faisceau et sont généralement utilisés pour détecter les distances par rapport à des objets volumineux tels que les murs, les sols et les plafonds, car le faisceau est très mince (comparé à d’autres technologies telles que les capteurs à ultrasons) et reste généralement ainsi sur toute la portée du capteur.

Voici quelques produits de ce type et leurs différentes portées :

Proximité (<= 6 m)

Pour ces portées très courtes, il est généralement plus pratique et plus rentable d’utiliser une simple réflexion infrarouge (IR) plutôt que des systèmes LIDAR plus complexes/coûteux. Vous pouvez trouver un grand nombre de ces options dans notre catégorie Capteur de Distance IR. La plupart de ces capteurs mesurent des distances au centimètre par rapport à la portée en mètres et varient généralement de quelques millimètres à environ 150 cm.

Capteur de Distance Laser 15 à 122 cm Parallax

Courte portée (<= 10 m)

Capteur de Distance LED TF01 Benewake (10 m, IP63-65)

Moyenne portée (<= 20 m)

Module Micro LIDAR TGMINI Benewake (12 m)

Capteur de Distance ToF TeraRanger One Type A (spider) (14 m)

Capteur de Distance ToF TeraRanger One Type B (frame) (14 m)

Capteur de Distance avec Sonar TeraRanger Duo (14 m)

Kit d’Inspection de Drone avec 1 Capteur de Distance Type B (14 m)

Kit d’Inspection de Drone avec 3 Capteurs de Distance Type B (14 m)

Capteur de Distance Leddar One (RS485) LeddarTech (RS-485) (15 m)

Capteur de Distance Leddar One (3,3 V UART) LeddarTech (15 m)

Longue portée (> 20 m)

Capteur de Distance LED TF02 Benewake IP65 (22 m)

Capteur de Distance Laser ILM (35 m)

Capteur de Distance Laser LIDAR-Lite 3 (40 m)

Capteur de Distance Laser SF30-B (50 m)

Capteur de Distance Laser SF30-C (100 m)

Capteur de Distance Laser ILM (150 m)

Capteurs à faisceaux multiples

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Capteurs à faisceaux multiples

Ces capteurs de distance produisent plusieurs faisceaux de détection, en général simultanément, et sont mieux adaptés pour l’évitement d’objets et de collisions. Leur portée varie d’environ un mètre (Capteur de Distance TeraRanger Multiflex) à des dizaines de mètres (Module pour Capteur de Distance Leddar M16 LeddarTech – Faisceau 10°). Vous pouvez consulter la catégorie complète des capteurs à faisceaux multiples ici. Les utilisations potentielles comprennent des robots autonomes se déplaçant dans des environnements inconnus ou comportant des obstacles en mouvement (personnes, autres robots, etc.) tels qu’un bureau ou un entrepôt.

Capteur rotationnel

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Capteurs rotationnels

Dans ce cas, le capteur produit généralement un seul faisceau, car le dispositif tourne lorsque les mesures sont effectuées. Ils sont généralement utilisés pour SLAM (localisation et cartographie simultanées) et pour la détection et l’évitement d’objets. En raison du taux élevé de données produites, il est généralement préférable d’utiliser ces capteurs avec un ordinateur monocarte (SBC), qui peut mieux gérer le traitement des données que de simples microcontrôleurs. La catégorie complète des capteurs de distance rotationnels se trouve ici.

Voici quelques exemples des différents types de capteurs de distance rotationnels que vous pouvez rencontrer :

Données de portée uniquement

Dans ces cas, le capteur fournit uniquement des données brutes (mesure de distance) et vous devrez programmer votre contrôleur pour qu’il les traite. Ceci peut être très utile pour SLAM (localisation et cartographie simultanées), car c’est tout ce dont vous avez vraiment besoin (au niveau du capteur) pour créer une carte de base de son environnement. Voici quelques produits populaires pouvant être utilisés à cette fin :

Kit de Développement Scanner Laser 360° RPLIDAR

Scanner Laser 360° Sweep V1

Scanner Laser 360° RPLIDAR A2

Scanner Laser 360° RPLIDAR A2M6

Capteur de Distance à Balayage Laser URG-04LX-UG01 Hokuyo

Capteur de Distance à Balayage Laser URG-04LX Hokuyo

Capteur de Distance à Balayage Laser UBG-04LX-F01 (URG Rapide) Hokuyo

Traitement embarqué

Ces capteurs rotationnels plus développés non seulement balaient un environnement à l’aide d’un faisceau rotatif, mais effectuent également une certaine quantité de traitement de signal pour obtenir des informations utiles directement à partir des données, telles que la détection d’objet, les zones de détection, etc. Voici quelques exemples de capteurs effectuant ce type de traitement :

Capteur d’Obstacle à Balayage LED Infrarouge PBS-03JN Hokuyo

Capteur d’Obstacle à Balayage Laser Infrarouge UST-10LN Hokuyo

Capteur d’Obstacle à Balayage Laser Infrarouge UST-20LN Hokuyo

Résumé

Les capteurs de distance par lumière et par laser sont certainement de plus en plus populaires ces dernières années et peuvent offrir aux robots une meilleure façon de comprendre leur environnement. Dotés de plus d’options maintenant disponibles pour les amateurs à des prix abordables, ces capteurs sont assurément à prendre en compte pour les robots/projets de bricolage.

Avez-vous utilisé ce type de capteurs ? Lequel préférez-vous ? À quoi les utilisez-vous ? Faites-le nous savoir dans les commentaires !

*Remarque : pour les questions concernant l’assistance technique, veuillez ouvrir un nouveau sujet sur notre forum ici.

By | 2018-01-11T03:04:17+00:00 11 janvier 2018|Sciences|Commentaires fermés sur LiDAR : Capteurs de distance par lumière et par laser

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