Si un véhicule industriel pouvait se conduire tout seul, comment percevrait-il le monde qui l'entoure ? En tant qu'êtres humains, nous utilisons nos propres yeux pour capter la lumière et déterminer la distance, la taille et la direction des objets.
La technologie la plus couramment utilisée à cet effet est un capteur laser 3D, également appelé capteur LiDAR.
Un système LiDAR se compose d'un laser, d'un récepteur et d'un processeur.
Le LiDAR projette des faisceaux de lumière dans différentes directions. Lorsqu'un faisceau frappe la surface d'un objet, il est réfléchi et capté par le récepteur.
En calculant la durée du trajet aller-retour de la lumière, le processeur détermine la distance exacte de l'objet. La vitesse de la lumière étant constante, cela permet de déterminer la distance avec une grande précision. Ce principe est appelé Temps de vol (TOF).
Les propriétés techniques les plus importantes d'un capteur LiDAR sont la portée, la résolution et la précision.
Les principaux facteurs qui influent sur ce résultat sont le nombre de canaux laser, le traitement du signal et l'efficacité du module d'émission-réception.
L'angle de visée du laser et la mesure de la distance permettent de calculer la position de l'objet.
Au fil du temps, il crée une collection de millions de points de données qui, ensemble, forment une image 3D détaillée de l'environnement : ce que l'on appelle une "image 3D". Nuage de points. Pour permettre une conduite autonome sûre dans des situations de circulation complexes, il doit Nuage de points actualisé au moins 10 fois par seconde.
La manière dont un capteur LiDAR génère un nuage de points dépend fortement du type de capteur utilisé.
La technologie LiDAR est disponible en différentes versions, chacune ayant des caractéristiques et des domaines d'application uniques. Le choix d'un type particulier de capteur dépend de facteurs tels que le champ de vision souhaité, la résolution, la portée de détection, la robustesse et le coût.
Capteurs sans pièces mobiles, plus compacts et plus fiables, mais avec des limitations en termes de portée et d'angle de vue. Un LiDAR à semi-conducteurs n'a pas de pièces mobiles et nécessite donc de nombreux canaux laser pour offrir les mêmes performances que les variantes mécaniques. Les nombreux canaux laser rendent actuellement la production d'un LiDAR à semi-conducteurs très coûteuse.
Actuellement, le type de capteur LiDAR le plus couramment utilisé est encore un LiDAR à rotation mécanique. Il s'agit de capteurs comportant des pièces mobiles.
Les canaux laser sont alignés verticalement dans un réseau. Un moteur fait tourner la plate-forme mécanique rotative sur laquelle le réseau de lasers est monté pour obtenir un champ de vision de 360° (horizontal).
En raison du nombre limité de lasers verticaux, la densité de l'image est très faible. Nuage de points diminue au fur et à mesure que la distance augmente. La résolution horizontale garantit également que la Nuage de points dans le plan horizontal en termes de densité diminue avec l'augmentation de la distance. Pour augmenter la résolution et la portée de détection, il est possible d'ajouter des modules d'émission-réception et d'augmenter ainsi le nombre de canaux laser. Une autre option consiste à faire tourner le moteur plus lentement. Cela permet d'augmenter la résolution horizontale.
La méthode traditionnelle de production d'un capteur LiDAR mécanique est un processus de fabrication complexe et fastidieux. De ce fait, les LiDARS mécaniques sont souvent de grande taille et relativement coûteux à l'achat.
Une alternative au LiDAR mécanique est le hybride à l'état solide LiDAR, qui fonctionne avec deux miroirs tournant dans un angle limité. Cette combinaison de composants fixes et de mouvements mécaniques limités - sous la forme de miroirs rotatifs - offre un bon équilibre entre performance et rentabilité....
Le cœur de ce LiDAR hybride est constitué d'un miroir polygonal rotatif et d'un miroir pivotant. Le miroir polygonal assure le balayage horizontal, tandis que le miroir pivotant dévie les faisceaux verticalement.
Par exemple, un laser peut créer un modèle de balayage similaire à celui de a LiDAR mécanique avec plusieurs lasers.
Le balayage d'une image complète à l'aide d'un seul laser nécessite une vitesse extrêmement élevée. Alors qu'un LiDAR mécanique tourne 10 ou 20 fois par seconde, le miroir d'un LiDAR à laser unique basé sur un ASIC doit tourner des centaines, voire des milliers de fois par seconde.
Pour les applications dans les véhicules autonomes, les drones et les solutions de sécurité fixes, un capteur LiDAR a besoin d'un large champ de vision (Champ de vision, FoV). Le FoV correspond aux angles de vue horizontaux et verticaux à l'intérieur desquels le LiDAR émet et reçoit ses impulsions laser.
On peut dire que moins il y a de pièces mobiles intégrées dans un capteur, plus la durée de vie du capteur peut théoriquement être longue. En effet, les pièces mécaniques sont toujours sujettes à l'usure, ce qui limite la durée de vie du capteur dans une plus large mesure que la durée de vie des composants électroniques.
Image : LePandar 128est un LiDAR mécanique dont les modules d'émission et de réception sont intégrés à une plate-forme rotative.
C'est certainement le cas pour un LiDAR mécanique traditionnel, où les modules d'émission et de réception sont intégrés à une plate-forme rotative. Dans ce cas, la durée de vie est généralement limitée par le moteur et les roulements qui maintiennent la plate-forme en place et en rotation. En outre, la fabrication d'une telle plate-forme rotative est très complexe. La construction doit être parfaitement équilibrée pour réduire les frottements sur le moteur et l'arbre de roulement. Cela est important pour éviter que l'accumulation de chaleur et l'usure de ces pièces mécaniques ne réduisent considérablement la durée de vie du capteur. Lors de la construction de matrices laser avec des diodes émettrices et réceptrices, l'alignement précis des diodes est une partie particulièrement complexe et largement manuelle du processus de fabrication, ce qui le rend coûteux.
La solution idéale serait un capteur LiDAR sans pièces mobiles. En d'autres termes, un capteur LiDAR à l'état solide. L'inconvénient de cette solution est qu'un capteur LiDAR à semi-conducteurs a aussi ses limites. En particulier, l'électronique et l'optique d'un capteur LiDAR à semi-conducteurs sont plus complexes que celles d'un capteur LiDAR mécanique, ce qui rend les coûts de production d'un LiDAR à semi-conducteurs relativement élevés. Une autre limitation réside dans le fait qu'un LiDAR à semi-conducteurs a souvent un angle d'ouverture limité et une portée de détection plus faible qu'un LiDAR mécanique. Cela s'explique notamment par le fait que le module d'émission est une puce sur laquelle est intégrée une matrice de diodes laser de très petite taille.
En raison de leur taille et de leur puissance optique, ces diodes laser ont une portée inférieure à celle des diodes laser individuelles (plus grandes) empilées dans un LiDAR mécanique.
Image : LiDAR à semi-conducteurs FTX
Il y a ensuite deux options pour construire le capteur. Pour les capteurs hybrides à semi-conducteurs qui nécessitent une grande portée mais pas un champ de vision de 360°, les impulsions laser émises par l'ASIC émetteur sont guidées dans l'espace au moyen de deux miroirs rotatifs, et les réflexions reviennent également vers l'ASIC récepteur au moyen des deux mêmes miroirs.
Photo ci-dessus : ASIC
Il s'agit d'une construction très robuste et relativement simple, car le capteur ne comporte que deux petits miroirs comme pièces mobiles. La construction et la mécanique du capteur s'en trouvent simplifiées, ce qui favorise la production. Cette façon de construire le capteur LiDAR signifie que ce type de capteur peut être produit de manière relativement rentable, sans sacrifier les performances.
Image : leOT128est une nouvelle génération de lidars mécaniques basés sur une technologie ASIC innovante.
Les capteurs LiDAR mécaniques avec un champ de vision de 360° utilisant également les ASICs innovants d'émission et de réception des capteurs LiDAR hybrides à l'état solide sont en plein essor. Les ASIC sont intégrés à la plate-forme rotative telle que nous la connaissons pour les capteurs LiDAR mécaniques traditionnels. Là encore, l'avantage est que l'assemblage, la construction et la fabrication de la plate-forme rotative sont devenus beaucoup moins complexes. En outre, l'utilisation des ASIC permet de réduire considérablement la taille et le poids de la plate-forme rotative. Cela permet de réduire la charge sur les roulements et le moteur qui doivent porter et faire tourner la plate-forme. Il en résulte un capteur LiDAR plus petit, offrant les mêmes performances qu'un LiDAR mécanique traditionnel, mais à un coût nettement inférieur.
Les ASIC innovants réunissent le meilleur des deux mondes. Actuellement, dans de nombreuses situations, la meilleure solution LiDAR est un capteur LiDAR hybride à semi-conducteurs ou mécanique basé sur des ASIC.
Les capteurs 3D LiDAR comptent parmi les innovations les plus importantes de ces dernières décennies sur le marché des capteurs. L'évolution du marché des capteurs LiDAR est rapide : ils sont de plus en plus performants, compacts et abordables. Ce n'est donc qu'une question de temps avant qu'ils ne soient utilisés à une échelle de plus en plus grande dans une variété d'applications.
La polyvalence des capteurs LiDAR leur confère un large champ d'application. Dans de nombreux cas, ils peuvent d'ores et déjà remplacer les fonctions d'un ou de plusieurs capteurs traditionnels par un seul capteur. Dans certaines situations, il est même possible de passer à un capteur LiDAR parce qu'ils peuvent améliorer considérablement l'efficacité et les performances d'une machine ou d'une application. Dans le même temps, le coût et la complexité de ces systèmes peuvent être réduits et simplifiés.
ET25
40° Vertical
200 m Portée
105,2° Vertical
20 m Portée
Le principe du lidar est simple. Le LiDAR (Light Detection and Ranging) est une technologie qui utilise des impulsions laser pour mesurer les distances, la taille et la direction des objets. Ce procédé permet d'obtenir des cartes 3D précises de l'environnement.
Un système LiDAR se compose d'un laser, d'un récepteur et d'un processeur.
Dans le principe du temps de vol, la distance d'un objet est déterminée en mesurant le temps nécessaire pour que les impulsions lumineuses émises par un émetteur soient réfléchies et reçues par un récepteur. Le temps écoulé entre l'émission et la réception des photons réfléchis donne une idée de la distance par rapport à l'objet. Cette méthode permet de déterminer la distance de l'objet avec une grande précision.
Un nuage de points est une collection de millions de points de données générés par un capteur LiDAR. Ces points représentent la structure 3D de l'environnement et sont mis à jour plusieurs fois par seconde pour former une image dynamique et détaillée.
Un LiDAR à semi-conducteurs ne comporte aucune pièce mobile. Les diodes laser et les récepteurs sont intégrés sur une puce (ASIC), ce qui augmente la fiabilité et réduit l'usure. Ces capteurs sont plus compacts, mais ont souvent un angle d'ouverture et une plage de détection plus petits.
Un LiDAR hybride à semi-conducteurs associe des composants fixes à des mouvements mécaniques limités, tels que des miroirs rotatifs. Cela permet d'obtenir un bon équilibre entre les performances, la rentabilité et la durabilité. Ils sont souvent basés sur la technologie ASIC et offrent un large champ de vision et une haute résolution.
Actuellement, le capteur LiDAR le plus utilisé reste la variante à rotation mécanique. Dans ce cas, les canaux laser sont disposés verticalement dans un réseau monté sur une plate-forme rotative. Un moteur fait tourner cette plate-forme, créant ainsi un champ de vision horizontal de 360°. La fabrication traditionnelle des systèmes LiDAR mécaniques est complexe et prend du temps, ce qui se traduit par des dimensions relativement importantes et un prix d'achat plus élevé.
Oui, les capteurs LiDAR sont polyvalents et peuvent souvent remplacer un ou plusieurs capteurs traditionnels. Ils améliorent l'efficacité et les performances des machines et peuvent réduire la complexité des systèmes.
Le LiDAR est utilisé dans :
LiDAR est idéal pour :
Les LiDAR défectueux sont généralement remplacés ou réparés en fonction du type et des conditions de garantie. Les variantes à semi-conducteurs et hybrides sont moins susceptibles de présenter des défaillances mécaniques en raison du nombre limité de pièces mobiles.
Le LiDAR est très fiable grâce à sa haute résolution, à la précision de ses mesures de distance et à la rapidité des mises à jour des nuages de points. Les variantes hybrides et à semi-conducteurs sont particulièrement robustes dans les environnements complexes et dynamiques.
Oui. Les LiDAR à semi-conducteurs et hybrides nécessitent peu d'entretien en raison de l'absence ou de la minimisation des pièces mobiles. Les LiDAR mécaniques nécessitent davantage d'entretien en raison de l'usure des moteurs et des roulements.
Les coûts varient en fonction du type et de l'application. Bien que les LiDAR à semi-conducteurs soient plus chers à produire, ils ont une durée de vie plus longue et des coûts de maintenance moins élevés. Plus efficaces et plus performants, ils peuvent être rapidement rentabilisés dans les applications industrielles.
