Brevet FR2554244A1 — publié le 19850503

La présente invention a pour objet un proximètre à rayonnement rétrodiffusé et le système de traitement de signal associé. Elle est relative au domaine général de la télémanipulation ou de la robotique, etplus particulièrement aux systèmes de commande utilisés pour gérer les mouvements relatifs d'organes manipulateurs par rapport à des objets, fixes ou mobiles, afin d'effectuer sur eux des opérations telles que de prétension, de déplacement, etc... Ces système s de commande sont contrôlés par des signaux résultant d'un traitement de l'information prenant en compte à la fois les positions relatives d'un manipulateur par rapport à un objet et un programme opératoire particulier de ce manipulateur relativement à cet objet. Pour ce faire, un tel manipulateur est équipé d'une pluralité de capteurs dont le nombre, les types et les implantations sur le manipulateur sont déterminés par la géométrie particulière de l'organe effecteur du manipulateur, par la géométrie particulière de la ou des objets-cibles, par les caractéristiques propres des capteurs selon leur type et leur implantation, et par le type de tâches à effectuer. L'invention est plus particulièrement relative aux capteurs utilisés par de tels systèmes de commande dans le cadre général rappelé ci-dessus. Parmi les capteurs antérieurement connus, on peut citer - les capteurs pneumatiques du type à jet d'air ou à dépression, de portées de mesure extrêmement limitées de quelques millimètres à moins de 20 mm et de répon se caractéristique de la distance complexe, et diffi cile, en conséquence, à exploiter - les capteurs inductifs ou à courants de Foucault, dans lesquels une bobine alimentée par un oscillateur à haute fréquence et logée dans une ferrite magnéti que ouverte, constituant l'élément sensible du cap teur, détecte la proximité d'un objet électriquement conducteur par variation du courant absorbé, selon une réponse caractéristique non linéaire en fonction de la distance.Malgré des avantages d'excellente ré solution, rapidité de réponse et robustesse, ces cap teurs présentent un rapport portée/encombrement fai ble pour une portée maximale de 20 mm et, de ce fait, ne sont généralement utilisés qu'en détecteurs de présence ; - les capteurs capacitifs, dont le principe consiste à créer un condensateur dont l'une des électrodes est une face sensible du capteur et l'autre est la pièce à détecter, constituée d'un matériau conducteur ou isolant. L'étendue de mesure et les avantages et in convénients de ces capteurs sont similaires à ceux des capteurs inductifs ; - les capteurs à ultrasons, dans lesquels la distance est évaluée à partir du temps séparant l'émission d'un signal ultrason de la réception d'un écho après réflexion.Par principe meme, ces capteurs présentent une zone morte allant jusqu'à 30 cm en fonction de la fréquence d'émission pour une portée maximale pouvant aller jusqu'à plusieurs mètres. Les trois inconvé nients principaux de ces capteurs à ultrasons sont la grande sensibilité à la réflexion sur la cible, une largeur de champ importante, et un temps de réponse variable, assez élevé, dû à la vitesse de propagation du son dans l'air t - les capteurs à hyperfréquence qui comme les capteurs à ultrasons, ne sont pas à proprement parler des cap teurs de proximité puisque, fonctionnant également par écho, ils présentent aussi une zone morte allant jusqu'à 30 cm.En outre, la réponse, non linéaire en fonction de la distance, est très sensible à l'angle d'incidence du signal reçu par la cible et à sa natu re, et, enfin - les capteurs opto-électroniques à infrarouge à rétro diffusion directe sur la cible. L'élément sensible d'un tel capteur se compose d'un couple émetteur-ré cepteur ; l'émetteur est une diode électrolumines cente émettant un rayonnement infrarouge invisible, de longueur d'onde d'une valeur typique de 950 nm ; le récepteur est une photodiode ou un phototransistor sensible au flux lumineux rétrodiffusé par la cible. Jusqu'alors, dans le cas des capteurs à infrarouge auquel est relative très précisément l'invention, l'émetteur émet un signal infrarouge modulé par des fréquences de modulation allant généralement de 100 Hz à 50 kHz, avec un courant moyen à l'émission de 100 mA. Le récepteur reçoit le signal réfléchi ou rétrodiffusé par la cible et ce signal fait l'objet d'un filtrage, permettant de détecter par tout ou rien la présence d'une cible, ou d'une démodulation synchrone, permettant de disposer d'un signal analogique représentatif du flux rétrodiffusé, et donc en particulier de la distance entre le capteur et la cible. L'inconvénient principal de ces capteurs à infrarouge réside donc dans la limitation de principe résultant du fait que la presque totalité des cellules photoélectriques industrielles fonctionnent en tout ou rien, ce qui limite le domaine d'application à des détecteurs de présence. D'autre part, la fiabilité est obtenue au détriment de la précision et de la rapidité, la constante de temps de réponse de l'ensemble émetteur-récepteur étant de l'ordre de 10 à 40 ms dans les détecteurs à infrarouge industriels connus. En effet, la puissance lumineuse à l'émission étant proportionnelle au courant traversant la diode et, d'autre part, la valeur moyenne du courant d'émission présentant une limite caractéristique du composant optoélectronique d'émission, l'émission en régime modulé limite donc l'intensité du courant de crête admissible. Par conséquent, si l'on se fixe une valeur du rapport signal/bruit en réception, la portée du capteur infrarouge sera limitée en fonction de l'intensité lumineuse présente à l'émission. Pratiquement, cette portée est limitée à la plage de mesure allant de O à 15 cm. La présente invention relative au domaine technique précis des capteurs ci-dessus mentionnés à infrarouge, a pour buts à la fois d'éliminer les inconvénients exposés ci-dessus et d'apporter des avantages spécifiques nouveaux. L'invention a donc pour but de réaliser un proximètre à infrarouge, c'est-à-dire un véritable appareil de mesure fournissant un signal fonction de la distance capteur-objet élaboré à partir d'un signal infrarouge rétrodiffusé par l'objet, qui présente les caractéristiques opérationnelles ci-après - le signal de réception est obtenu pour une large classe d'angles d'incidence du rayon émis par le cap teur par rapport à la surface de l'objet ; - le signal de réception est rendu insensible aux para sites ; ; - face à un objet localement plan, le signal de récep tion fournit une information directement proportion nelle à la distance, de la forme s=X.d avec s représentant le signal de sortie du proximè tre, d la distance capteur-objet, X le coefficient de proportionnalité, et dont l'étendue de mesure couvre la plage allant de O à 30 cm - la rapidité de réponse du proximètre est très élevée, inférieure à la milliseconde et pouvant descendre jusqu'à 100 microsecondes - la miniaturisation de la partie terminale du capteur, constituée de l'ensemble émetteur-récepteur à infra rouge est possible, notamment en vue de permettre la réalisation de proximètres multicapteur, et - le signal de sortie du proximètre peut se présenter sous forme numérique pour pouvoir être exploité di rectement par calculateur. A ces effets, 11 invention a pour objet un proximètre à rayonnement rétrodiffusé notamment utilisable en télémanipulation ou robotique, comportant un émetteur de rayonnement et un récepteur sensible au flux lumineux rétrodiffusé par un objet, caractérisé en ce qu'il est contrôlé par des circuits de commande tels que l'émetteur émette des flashes périodiques de rayonnement infrarouge de durée très brève et de haute intensité lumineuse. De préférence, l'émetteur est constitué d'une diode électroluminescente émettant un rayonnement infrarouge, les flashes ayant alors une durée in inférieure ou égale à quelques microsecondes, leur intensité lumineuse correspondant à un courant de crête supérieur à 1 ampère et leur période étant de quelques centaines de microsecondes. Selon un mode préféré de réalisation du proximètre de l'invention, la diode électroluminescente est disposée à proximité minimale du photocomposant électronique de réception, et leurs axes optiques sont parallèles. Selon un autre mode préféré de réalisation du proximètre de l'invention, l'angle a d'inclinaison des axes optiques de l'émetteur et du récepteur par rapport à leur plan de symétrie est égal ou inférieur à 100. L'invention a aussi pour objet un système de traitement du signal fourni par un proximètre, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour effectuer une première mesure du bruit de fond avant émission du flash et une deuxième mesure de ce bruit pendant la réception, pour délivrer un signal, par différence de ces deux mesures, avec élimination du bruit de fond. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement la tête sensible d'un capteur à infrarouge, - la figure 2 représente le signal de réponse d'un tel capteur, - la figure 3 représente l'évolution du signal de réponse en fonction de la position relative de l'émetteur et du récepteur du capteur, - la figure 4 montre l'allure du courant traversant l'émetteur caractéristique de l'invention, - la figure 5 représente schématiquement le système minimal exploitant les informations fournies par un proximètre selon l'invention, - la figure 6 est le chronogramme de base contrôlant ce système, - la figure 7 est un mode de réalisation d'un module d'émission utilisable dans un tel système, et - la figure 8 est un mode de réalisation d'un module de réception utilisable dans un tel système. Comme on le voit schématiquement représenté sur la figure 1, un proximètre comprend une tête sensible composée d'un émetteur E à infrarouge et d'un récepteur R de rayonnement infrarouge. L'émetteur E est une diode électroluminescente émettant un rayonnement infrarouge de longueur d'onde 950 nm. Le récepteur R est une photodiode ou un phototransistor sensible au flux infrarouge rétrodiffusé par l'objet. Pour ce type de tête sensible, les trois paramètres fondamentaux sont - l'entraxe 6 entre émetteur E et récepteur R, - l'angle a d'inclinaison des axes optiques de l'émet teur E et du récepteur R par rapport à leur plan de symétrie, - le demi-angle d'ouverture q du faisceau à l'émission et à la réception, cet angle q étant déterminé par le choix effectué d'utiliser tel ou tel composant opto électronique muni éventuellement d'optiques de con trôle de champ. La zone d'acceptance du capteur, c'est-àdire celle à l'intérieur de laquelle un objet est détectable et sa distance mesurable, est représentée par la zone hachurée de la figure 1. La caractéristique principale du capteur est le signal de réponse V obtenu face à un plan en fonction de la distance d et dont l'allure est représentée sur la figure 2. Les points O, A, M, F de cette figure correspondent aux points portant des références identiques sur la figure 1. Cette réponse varie en fonction de l'albedo de l'objet (qui est le rapport entre le flux de lumière reçu et le flux de lumière rétrodiffusé par l'objet, rapport dépendant de la nature de la surface, de son état, de sa couleur,...). Sur la figure 2, on a porté deux courbes de réponses pour des albedos A1 et A2. Cette réponse varie également en fonction de l'incidence du faisceau émis par rapport à la surface visée, et ceci de façon presque homothétique. Pour obtenir la miniaturisation optimale de la tête sensible du capteur, on a essayé de rapprocher au maximum le composant émetteur du composant récepteur, ce qui correspond à diminuer 6, et l'on a également observé qu'un angle a très faible d'inclinaison relative des émetteur E et récepteur R, inférieur à une valeur de l'ordre de quelques degrés, conduisait à l'obtention de courbes caractéristiques de réponse tel les que celles illustrées sur la figure 3, avec 6 2 inférieur à1 La modélisation mathématique, ainsi que l'expérimentation, montrent qu'en diminuant au maximum c, la partie exploitée de la courbe de réponse caractéristique, qui va de sa valeur maximale vers les valeurs correspondant à des distances d croissantes, tend vers une loi du type 1/dS et que cette loi permet aisément par traitement numérique d'être transformée en une loi linéaire du type s=X.d, comme évoqué ci-dessus. Pratiquement, cela conduit à disposer côte à côte et espacés minimalement les émetteur E et récepteur R avec un angle a inférieur ou égal à quelques degrés et en tous cas à 100. On limite ainsi à quelques millimètres la zone aveugle du capteur. Selon l'invention, on contrôle la diode émettrice E pour qu'elle émette des flashes de rayonnement infrarouge de durée T très brève (inférieure ou égale à quelques dizaines de s), de haute intensité lumineuse (correspondant à un courant de crête 1M supérieur à I ampère), avec une période T de quelques centaines de s. La figure 4 illustre l'allure caractéristique du courant impulsionnel traversant la diode émettrice. Dans les capteurs infrarouges antérieurement connus, on rappelle que le courant de crête maximalement admissible en émission modulée est seulement de quelques centaines de milliampères. La protection du capteur de l'invention par rapport aux parasites optiques est obtenue par le principe même de l'émission par flashes puisque l'on met ainsi en oeuvre une puissance lumineuse instantanée importante à l'émission qui diminue relativement l'importance d'un signal parasite optique éventuel. Par ailleurs, pour s'affranchir de composantes parasites basse fréquence éventuelles, on effectue selon l'invention une mesure différentielle : une première mesure précède l'émission et une deuxième est effectuée à l'instant précis d'émission du flash. l'intervalle de tens séparant ces deux m rPs détendent à la fois du temps de réponse des composants optoélectroniques et des performances de la chaîne de traitement des informations. On en déduit donc la valeur de la mesure par différence du signal mesuré lors de l'émission du flash et du signal mesuré avant cette émission qui est représentatif du bruit de la mesure. Il est important de réaliser cette mesure avant chaque émission car le bruit de mesure peut évoluer en fonction de l'environnement du proximètre, (proximité d'une source lumineuse intermittente ou irrégulière telle que celle d'un arc électrique, par exemple}. Comme on 11a schématisé sur la figure 1, la tête sensible du capteur se limite à l'ensemble émetteur E-récepteur R. Ces émetteur E et récepteur R peuvent être reliés par des fibres optiques schématisées en F à un interface I éloigné pour permettre un encombrement minimal de l'organe d'action du télémanipulateur. On a schématise sur la figure 5 l'ensemble minimal de moyens mettant en oeuvre un proximètre selon l'invention. L'émetteur E et le récepteur R, disposés relativement l'un à l'autre selon l'invention côte à côte et avec un faible angle a d'inclinaison relative de leur axe optique, sont reliés à un circuit électronique décentralisé ED, placée à proximité de l'organe effecteur, et dont la fonction consiste à assurer par tous circuits électroniques connus la préamplification et la mise en forme des signaux. Ensuite, une interface I, spécialisée selon les performances des émetteurs et récepteurs mis en oeuvre, assure des fonctions d'entrée-sortie, de commande, de traitement telles que conversion analogiquedigital, etc... Enfin, un microcalculateur MC, en fonction des informations reçues en provenance du proximètre, contrôle l'organe robotisé ou télémanipulé. On conçoit que cette disposition permette aisément une configuration multicapteurs. Dans ce cas, il existe plusieurs ensembles émetteur E-récepteur R munis chacun de leur circuit électronique décentralisé, qui sont commandés séquentiellement. Le microcalculateur assure la synchronisation des mesures, la linéarisation et éventuellement les autres traitements du signal de mesure. La figure 6 représente le chronogramme de base d'un ensemble émetteur E-récepteur R. Le signal DE correspond au déclenchement et à l'arrêt de l'émetteur E. Le signal I correspond à l'intensité du courant traversant l'émetteur E, avec son intensité maximale 1M pendant le temps T. Le signal V correspond au signal de réponse du récepteur R. Le signal MB correspond à la mesure du bruit parasite basse fréquence éventuel, effectuée avant et pendant le flash. Le signal BA correspond au blocage du dispositif de mesure et à l'acquisition de la mesure. On décrira maintenant, en référence à la figure 7, un mode de réalisation d'un module d'émission ME (figure 5) tel que prévu dans l'électronique décentralisée ED et dont la fonction est de générer l'impulsion de flash à travers la diode émettrice E. Ce module d'émission est un simple étage de commutation piloté par un signal de commande de durée T et période T, (par exemples =20 > s et T=20Q > s), fournis par l'interface I. Le montage est du type connu sous le nom de montage Darlington constitué de deux transistors T1 et T2 dont le rôle est d'assurer 11 intensité convenable (1 à 2A) à travers la diode infrarouge D1 d'émission, cette intensité étant réglée par la résistance R3. La résistance R2 facilite le blocage du montage. On décrira maintenant, en référence à la figure 8, un mode de réalisation d'un module de réception MR (figure 5) tel que prévu dans le circuit électronique décentralisé ED et dont la fonction est d'effectuer la préamplification des signaux analogiques issus de la photodiode du récepteur R avant sa transmission vers l'interface I. Le signal émis par la photodiode D2 dé réception pouvant être faible, intensité de quelques dizaines de BA, il doit être immédiatement amplifié par ce module. Le rôle de la capacité de liaison C est d'éliminer la composante continue de l'éclairement ambiant. La photodiode D2 est polarisée par une résistance R4. Le montage, réalisant une amplification en tension, comporte un simple amplificateur AMP de tout type connu, monté en inverseur avec les résistances R5 et R6 réglables, et 97. Le signal de sortie est délivré en V. On peut également utiliser d'autres montages connus. La caractéristique importante de l'étage d'amplification sera le temps de montée du signal dont dépend les performances générales de l'ensemble. En effet, la réduction de la durée d'impulsion T permet d'améliorer le rapport signal/bruit. L'invention n'est pas limitée aux caractéristiques précises fournies à l'occasion de la description ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Proximètre à rayonnement rétrodiffusé no notamment utilisable en télémanipulation ou robotique, comportant un émetteur (E) de rayonnement et un récepteur (R) sensible au flux lumineux rétrodiffusé par un objet, caractérisé en ce qu'il est contrôlé par des circuits de commande (ME) tels que l'émetteur (E) émet des flashes périodiques de rayonnement de durée (T) très brève et de haute intensité lumineuse. 2. Proximètre selon la revendication 1, ca ractérisé en ce que l'émetteur est une diode électroluminescente émettant un rayonnement infrarouge, en ce que les flashes ont une durée (T? inférieure ou égale à quelques microsecondes, une intensité lumineuse correspondant à un courant de crête (IM) supérieur à 1 ampère, et en ce que leur période (T) est de quelques centaines de microsecondes. 3. Proximètre selon l'une au moins des revendications 1 et 22 caractérisé en ce que l'émetteur (E) est disposé à proximité minimale du récepteur (R). 4. Proximètre selon l'une au moins des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les axes optiques de l'émetteur et du récepteur sot parallèles. 5. Proximètre selon l'une au moins des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle a d'inclinaison des axes optiques de émetteur (E) et du récepteur (R) par rapport à leur plan de symétrie est égal ou inférieur à dix degrés. 6. Système de traitement du signal fourni par un proximètre selon l'une au moins des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour effectuer une première mesure du bruit de fond avant émission du flash et une deuxième mesure pendant la réception, pour délivrer un signal, par différence de ces deux mesures, avec élimination du bruit de fond. 7. Système de tr-aitement du signal fourni par un proximètre selon l'une au moins des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens numériques de linéarisation de la courbe caractéristique. 8. Système de traitement du signal fourni par une pluralité de proximètres, selon l'une au moins des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque proximètre est associé à un circuit électronique décentralisé et en ce qu'un système commun de traitement est mis-en relation séquentiellement par multiplexage avec chacun des ensembles proximètre-circuit électronique décentralisé associé.