Brevet FR2666153A1 — publié le 19920228

PROCEDE ET DISPOSITIF TELEMETRIQUES Description La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif téLémétriques Elle s'applique notamment aux systèmes de détection, dans le domaine de la robotique mobile. Pour être efficaces, certains types de robots mobiles ont besoin de pouvoir appréhender leur environnement sur des distances comprises entre 0,5 et 10 m Pour cela, ces robots sont dotés d'un ou plusieurs télémètres qui permettent la reconstitution d'une image de l'environnement. On connaît plusieurs types de télémètres. Un premier type effectue une triangulation pour déterminer la distance d'un point de référence à un point d'un objet La triangulation consiste à mesurer l'angle formé par la direction d'un faisceau lumineux continu et la direction sous laquelle le point d'impact du faisceau sur l'objet est vu par un détecteur. Réalisée de cette manière, la mesure de distance est précise mais présente un inconvénient majeur: elle ne possède qu'une faible profondeur de champ. Un second type de télémètre connu effectue des mesures de déphasage entre un faisceau lumineux modulé émis vers une cible et un faisceau réfléchi par cette cible La connaissance du déphasage permet de déterminer la distance séparant le télémètre de la cible. Un inconvénient majeur de ce type de télémètre réside dans la détection de réflexions parasites provenant de trajets indirects du faisceau. En effet, le détecteur, du fait de sa grande ouverture, peut recueillir des faisceaux ayant subi de multiples réflexions sur la cible Aussi, le déphasage mesuré entre ces faisceaux parasites et le faisceau incident aboutit à des indications erronées concernant la distance à déterminer. Un troisième type de télémètre connu, dit télémètre à temps de vol, utilise la mesure du temps d'aller et retour d'une impulsion lumineuse entre le télémètre et la cible pour déterminer la distance les séparant (ce qui est possible car, bien entendu, on connaît la vitesse de la lumière). Ce type de télémètre permet de s'affranchir des phénomènes de diffusion et de réflexions mutiples. En effet, la détermination du temps de parcours est stoppée lors de la première détection d'une impulsion lumineuse réfléchie (résultat du trajet le plus court) et le dispositif ne prend pas en compte toute impulsion parasite arrivant ensuite Avec un tel télémètre, on obtient une précision de quelques centimètres sur une distance d'une dizaine de mètres Cette précision peut être encore améliorée en effectuant la moyenne d'un grand nombre de mesures concernant le même point d'impact Mais cette amélioration est obtenue au détriment du temps de calcul. Un premier problème des télémètres à temps de vol est posé par la dynamique très importante (elle peut atteindre 107) des signaux lumineux détect 4 s après une réflexion sur la cible En effet, l'intensité de ces signaux est très intimement liée à la nature de la cible; le coefficient de réflexion de cette dernière peut changer très brutalement d'un point à un autre. Les systèmes électroniques du télémètre doivent pouvoir s'adapter à ces dispersions d'amplitude pour conserver une bonne précision sur la mesure du temps de trajet de l'impulsion lumineuse Pour cela, on connaît des dispositifs de contrôle automatique de gain ou d'amplification logarithmique. Mais, outre la difficulté de mise en oeuvre de ces dispositifs, la fluctuation de leur temps de propagation en fonction de la dynamique des signaux détectés les rend inutilisables en télémétrie. En télémétrie à temps de vol, un chronomètre est déclenché simultanément à l'émission d'une impulsion lumineuse; ce chronomètre est stoppé, lorsqu'une impulsion réfléchie est détectée Pour arrêter le chronomètre, on utilise couramment un comparateur qui émet un signal d'arrêt lorsqu'il reçoit un signal électrique correspondant à un signal lumineux supérieur à un seuil déterminé Mais un tel comparateur présente une dispersion temporelle sur l'instant d'émission du signal d'arrêt, en fonction des caractéristiques de la détection (dynamique, rapport signal/bruit)ce qui diminue la précision de la mesure. Le but de la présente invention est de permettre une mesure télémétrique du type "à temps de vol" avec une précision améliorée; bien entendu, la moyenne d'un grand nombre de mesures affine encore le résultat. Un autre but de la présente invention est de proposer un résultat fiable quelle que soit la dynamique du signal lumineux détecté. Afin d'atteindre ces buts, l'invention préconise d'effectuer une mesure du temps de réponse des circuits électroniques mis en jeu lors de la détermination du temps de parcours de l'impulsion lumineuse émise puis détectée Ce temps de réponse est déduit du temps de parcours pour le calcul de la distance Cette correction apportée au temps de parcours permet d'améliorer la précision sur la mesure de distance. De manière plus précise, la présente invention concerne un procédé de télémétrie du type "à temps de vol" consistant à: déterminer un temps de réponse d'une chaîne de mesure optoélectronique apte à mesurer un temps d'aller et retour d'une impulsion Lumineuse émise en direction d'un objet dont La distance est à déterminer, soustraire le temps de réponse au temps d'aller et retour mesuré pour obtenir un temps corrigé, calculer la distance recherchée à partir du temps corrigé. De manière préférée, la détermination du temps de réponse est effectuée dans des conditions identiques à celles de la mesure du temps d'aller et retour. De cette façon, on s'affranchit des dispersions sur les signaux se propageant dans la chaîne de mesure et causées par les différences d'intensité de l'impulsion lumineuse réfléchie par la cible. Selon un mode de mise en oeuvre, le procédé conforme à l'invention consiste à: pour déterminer un temps d'aller et retour, a) émettre une première impulsion lumineuse en direction d'un objet dont la distance est à déterminer, b) simultanément, déclencher un moyen de mesure temporel Le, c) détecter à l'aide d'un moyen de détection une impulsion de lumière réfléchie par l'objet, d) suite à la détection effectuée en c), actionner un moyen de commande d'arrêt dudit moyen de mesure temporelle, pour déterminer un temps de réponse de la chaîne de mesure comprenant le moyen de détection, le moyen de mesure temporel Le et le moyen de commande d'arrêt, e) émettre une seconde impulsion lumineuse, f) simultanément, déclencher ledit moyen de mesure temporelle, et g) détecter la seconde impulsion lumineuse, h) suite à la détection de la seconde impulsion lumineuse, actionner ledit moyen de commande d'arrêt dudit moyen de mesure temporelle, de manière à ce que la mesure effectuée corresponde au temps de réponse de la chaîne de mesure. De manière avantageuse, le procédé selon l'invention comprend les étapes suivantes: mesurer la puissance de l'impulsion lumineuse réfléchie, régler la puissance de la seconde impulsion lumineuse en fonction de la puissance de l'impulsion lumineuse réfléchie de manière à obtenir un même niveau de détection lors de la détection de la seconde impulsion lumineuse que celui obtenu lors de la détection de l'impulsion lumineuse réfléchie. De cette façon, lors de la détermination du temps de réponse, on se place exactement dans les conditions de fonctionnement apparues lors de la mesure du temps d'aller et retour. La présente invention concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé Dans un mode de réalisation du dispositif, ce dernier comporte: des moyens pour émettre des impulsions lumineuses et délivrant sur une sortie un signal de déclenchement à chaque impulsion lumineuse délivrée, un premier et un second moyens de détection, un moyen de commande d'arrêt délivrant sur une sortie un signal d'arrêt, un commutateur apte à connecter soit le premier moyen de détection, soit le second moyen de détection à une entrée du moyen de commande d'arrêt, un moyen de mesure temporelle connecté par une entrée à Ladite sortie des moyens pour émettre des impulsions Lumineuses, et par une autre entrée à ladite sortie du moyen de commande d'arrêt, ce moyen de mesure délivrant sur une sortie un signal 1 u représentant une durée mesurée entre le déclenchement et l'arrêt, des moyens de traitement connectés par une entrée à la sortie du moyen de mesure temporelle, ces moyens de traitement étant aptes à, au moins, enregistrer des mesures effectuées par le moyen de mesure temporelle, soustraire ces mesures entre-elles et déterminer une distance à partir d'une mesure temporelle. De manière avantageuse, le premier et le second moyens de détection comportent chacun une photodiode et ces photodiodes sont identiques. Selon une variante de réalisation, le second moyen de détection comporte un moyen apte à recueillir un pourcentage déterminé de chaque impulsion lumineuse déLivrée par les moyens pour émettre des impulsions Lumineuses. De manière avantageuse, le moyen apte à recueillir un pourcentage déterminé de chaque impulsion Lumineuse est une fibre optique. Conformément à l'invention, le dispositif comprend un moyen de mesure de puissance connecté d'une part au commutateur et d'autre part, en sortie, à une entrée des moyens de traitement, ces moyens de traitement étant aptes à délivrer un signal de consigne de puissance en relation avec la mesure de puissance sur une sortie connectée à une entrée des moyens pour émettre des impulsions lumineuses. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif Cette description se réfère à des dessins annexes, sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention, la figure 2 représente schématiquement un moyen de mesure temporelle utilisé dans un dispositif conforme à l'invention. La figure I représente schématiquement un télémètre conforme à l'invention Ce dernier comprend des moyens 10 pour émettre des impulsions lumineuses Dans l'exemple représenté, ces moyens comportent un générateur d'impulsions électriques 12 connecté à un circuit de commande 14 d'une diode laser 16. La précision de la mesure de distance dépend de la durée de l'impulsion lumineuse: plus cette durée est courte, meilleure est la précision Pour former l'impulsion lumineuse délivrée par la diode laser 16, on utilise donc des composants rapides. Le générateur d'impulsions 12 est par exemple réalisé par un oscillateur à quartz délivrant un signal oscillant à une fréquence de 200 M Hz et connecté à un circuit logique qui délivre, lorsqu'il est déclenché, une impulsion électrique d'environ 60 ns. Le générateur d'impulsions 12 comprend encore un convertisseur numérique-analogique qui reçoit en entrée une consigne de puissance numérique et qui délivre en sortie cette consigne de puissance sous forme analogique Simultanément, à la délivrance d'une impulsion électrique, le générateur d'impulsions 12 émet un signal de déclenchement sur une sortie. L'utilité de ce signal de déclenchement sera vue plus loin. Sous l'effet de l'impulsion électrique délivrée par le générateur 12, le circuit de commande 14 délivre un courant qui alimente la diode laser 16 L'intensité de ce courant est fonction de la consigne de puissance Le circuit de commande 14 est lui aussi réalisé avec des composants rapides permettant des temps de montée à la valeur nominale du courant de sortie de l'ordre de 1,3 ns Ces composants sont par exemple à base d'arseniure de gallium (As Ga) et réalisés dans la technologie des circuits de logique à couplage d'émetteur dite ECL ("Emitter coupled logic" en terminologie anglosaxonne). La diode laser 16 est par exemple du type SLD 202 V-3 commercialisé par la Société SONY Elle délivre des impulsions lumineuses de durée égale à celle en sortie de 12 Les impulsions lumineuses émises par la diode 16 sont focalisées par un objectif 18 qui peut être une simple Lentille. Le dispositif comprend encore un premier et un second moyens de détection, référencés respectivement 20 et 22 Comme on peut le voir sur la figure 1, le premier moyen de détection 20 comprend un objectif 24, qui peut être une simple lentille, disposé devant une photodiode 26, par exemple du type PIN à avalanche. Le second moyen de détection 22 comprend lui aussi une photodiode 28, par exemple du type PIN à avalanche Les photodiodes 26, 28 sont choisies de manière à présenter des caractéristiques optoélectroniques identiques La photodiode 28 est couplée à une extrémité d'une fibre optique 30 dont l'autre extrémité est disposée à proximité de la sortie des moyens 10 pour émettre des impulsions lumineuses De cette manière, la photodiode 28 recueille un pourcentage déterminé de chaque impulsion lumineuse déLivrée. Un commutateur 32 réalisé par exemple dans une technologie à base d'arseniure de gallium permet de connecter soit le premier moyen de détection 20, soit le second 22 au reste du circuit électrique. Un moyen de commande d'arrêt 34 est rélié au commutateur 32 IL comprend par exemple un comparateur (non représenté) réalisé par exemple en technologie à base d'arseniure de gallium et des circuits périphériques de contrôle (non représentés) réalisés par exemple en technologie ECL. Ces circuits périphériques permettent d'assurer la compatibilité des signaux provenant des circuits réalisés dans des technologies différentes et, par ailleurs, de gérer le cycle de déroulement de la mesure (commande du commutateur 32,) tout en tenant compte des ordres de tir. Un moyen de mesure temporelle 36 est connecté par une entrée à la sortie du générateur d'impulsions 12 qui délivre un signal de déclenchement et par une autre entrée à une sortie du moyen de commande d'arrêt. Le moyen de mesure temporelle est avantageusement réalisé par un convertisseur temps- amplitude du type de celui représenté schématiquement sur la figure 2 Un tel convertisseur 36 comprend un générateur de courant constant 38 qui charge un condensateur à droite de charge linéaire tant que l'interrupteur 42 est fermé. La fermeture de l'interrupteur 42 est commandée par le signal de déclenchement délivré par le générateur d'impu Lsions 12 Son ouverture est commandée par le signal d'arrêt délivré par le moyen de commande d'arrêt 34. Lorsque l'interrupteur 42 est ouvert, la tension VA aux bornes du condensateur 40 est proportionnelle à la durée pendant laquelle l'interrupteur 42 est resté fermé. Cette tension VA est lue par des moyens de traitement 44, par exemple du type microprocesseur. Ces moyens 44 sont aptes à effectuer diverses opérations et à délivrer un signal de déclenchement pour la délivrance d'une impulsion électrique par le générateur d'impulsions 12 et un signal de consigne de puissance. Tout en restant dans Le cadre de l'invention, on peut utiliser d'autres types de moyen de mesure temporelle On peut citer par exemple un dispositif de comptage comprenant une horloge délivrant des impulsions d'horloge, et un compteur apte à compter ces impulsions entre le déclenchement et l'arrêt. On peut citer encore un système de chronométrie avec Vernier Dans ce cas, deux horloges émettent des impulsions d'horloge déphasées les unes par rapport aux autres Comme précédemment, on compte Les impulsions d'horloge pendant la durée comprise entre le déclenchement et l'arrêt On peut donc voir une mesure temporelle à la précision du déphasage, tout en utilisant des horloges de fréquence plus basse que dans le dispositif précédent. De retour à la figure 1, on voit que des moyens de mesure de puissance 46 sont aussi reliés au commutateur 32 et, en sortie, à une entrée des moyens d'analyse et de traitement 44. Pour effectuer une mesure de la distance séparant le télémètre à temps de vol d'un objet (non 1 1 représenté), on chronomètre la distance d'aller et retour d'une impulsion lumineuse émise par la diode laser 16 en direction de l'objet Les moyens de traitement 44 émettent un signal de commande accompagné d'une consigne de puissance pour déclencher l'émission d'une impulsion électrique par le générateur d'impulsions 12. L'émission de cette impulsion électrique engendre la délivrance d'une impulsion lumineuse à la puissance désirée La puissance est choisie maximum pour cette première impulsion lumineuse. D'autre part, l'impulsion électrique déclenche les moyens de mesure temporelle 36. Lors de cette mesure, le commutateur 32 relie le premier moyen de détection 20 au reste du circuit La détection d'une impulsion de lumière réfléchie par l'objet active les moyens de commande d'arrêt 34 qui délivrent un signal d'arrêt Ce dernier stoppe la mesure temporelle qui est enregistrée par les moyens de traitement 44. Simultanément, les moyens de mesure de puissance 46 effectuent une mesure de la puissance de l'impulsion lumineuse réfléchie. La mesure temporelle ne rend pas parfaitement compte de la distance parcourue par l'impulsion lumineuse En effet, la mesure temporelle comprend le temps d'aller et retour de l'impulsion lumineuse (temps de vol caractéristique de la distance à mesurer) mais aussi le temps de réponse de la chaîne de mesure optoélectronique comportant la photodiode 26, le moyen de commande d'arrêt 34 et le moyen de mesure temporelle 36 Le temps de réponse n'est pas un facteur fixe: il dépend, entre autres, de la puissance lumineuse détectée. Conformément à l'invention, on détermine le temps de réponse de la chaîne de mesure, puis on le soustrait à la mesure temporelle effectuée. Ce temps de réponse est déterminé dans des conditions identiques à celles de la mesure du temps d'aller et retour. Pour cela, la diode laser 16 émet une seconde impulsion lumineuse d'une puissance telle qu'on obtient un même niveau de détection lors de la détection de la seconde impulsion lumineuse que celui obtenu lors de la détection de l'impulsion lumineuse réfléchie Une telle puissance lumineuse est obtenue grâce à la consigne de puissance délivrée par les moyens de traitement 44 en fonction de la puissance mesurée pour l'impulsion lumineuse réfléchie La consigne de puissance tient compte de la proportion de lumière recueillie par le second moyen de détection 22. L'émission de la seconde impulsion lumineuse déclenche le moyen de mesure temporelle 36 La seconde impulsion lumineuse est détectée, dès son émission, par le second moyen de détection 22 connecté maintenant au circuit par le commutateur 32. Cette détection actionne le moyen de commande d'arrêt 34 dans les mêmes conditions que lors de la première mesure Le signal d'arrêt délivré par le moyen de commande d'arrêt 34 stoppe la mesure temporelle effectuée par le moyen de mesure temporelle 36 La mesure temporelle ainsi réalisée correspond bien au temps de réponse de la chaîne de mesure dans des conditions identiques à celles de la mesure précédente. Les moyens d'analyse et de traitement 44 enregistrent cette mesure du temps de réponse et la soustraient à la mesure du temps d'aller et retour pour obtenir un temps corrigé qui prend aussi en compte d'autres facteurs correctifs constants Les moyens 44 calculent ensuite la distance recherchée à partir du temps corrigé. La Lecture de La puissance Lumineuse effectuée Lors de La détection de La seconde impulsion permet de s'assurer de L'identité des conditions de mesure. La précision des distances calculées par Le procédé et Le dispositif pour sa mise en oeuvre conformes à l'invention équivaut sensiblement à La précision obtenue usuel Lement en moyennant un grand nombre de mesures On comprend que si L'on effectue La moyenne d'un grand nombre de mesures obtenues par Le procédé et le dispositif conformes à L'invention, on améliore d'autant cette précision. Si l'on se contente de La précision obtenue avec une mesure unique, on gagne a Lors en temps de calcu L De cette manière, on réduit Le temps nécessaire pour former une image obtenue en balayant le faisceau Laser sur La cible suivant des Lignes successives. Revendications 1 Procédé de télémétrie du type "à temps de vol", caractérisé en ce qu'il consiste à: déterminer un temps de réponse d'une chaîne de mesure optoélectronique apte à mesurer un temps d'aller et retour d'une impulsion lumineuse émise en direction d'un objet dont la distance est à déterminer, soustraire le temps de réponse au temps d'aller et retour mesuré pour obtenir un temps corrigé, calculer la distance recherchée à partir du temps corrigé. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination du temps de réponse est effectuée dans des conditions identiques à celles de la mesure du temps d'aller et retour. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à: pour déterminer un temps d'aller et retour, a) émettre une première impulsion lumineuse en direction d'un objet dont la distance est à déterminer, b) simultanément, déclencher un moyen de mesure temporelle, c) détecter à l'aide d'un moyen de détection une impulsion de lumière réfléchie par l'objet, d) suite à la détection effectuée en c), actionner un moyen de commande d'arrêt dudit moyen de mesure temporelle, pour déterminer un temps de réponse de la chaîne de mesure comprenant le moyen de détection, le moyen de mesure temporelle et le moyen de commande d'arrêt, e) émettre une seconde impulsion lumineuse, f) simultanément, déclencher ledit moyen de mesure temporelle, et g) détecter la seconde impulsion lumineuse, h) suite à la détection de la seconde impulsion lumineuse, actionner ledit moyen de commande d'arrêt dudit moyen de mesure temporelle, de manière à ce que la mesure effectuée corresponde au temps de réponse de la chaîne de mesure. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à: mesurer la puissance de l'impulsion lumineuse réfléchie, régler la puissance de la seconde impulsion lumineuse en fonction de la puissance de l'impulsion lumineuse réfléchie de manière à obtenir un même niveau de détection lors de la détection de la seconde impulsion lumineuse que celui obtenu lors de la détection de l'impulsion lumineuse réfléchie. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: des moyens pour émettre des impulsions lumineuses et délivrant sur une sortie un signal de déclenchement à chaque impulsion lumineuse délivrée, un premier et un second moyens de détection, un moyen de commande d'arrêt délivrant sur une sortie un signal d'arrêt, un commutateur apte à connecter soit le premier moyen de détection, soit le second moyen de détection à une entree du moyen de commande d'arrêt, un moyen de mesure temporelle connecté par une entrée à ladite sortie des moyens pour émettre des impulsions lumineuses, et par une autre entrée à ladite sortie du moyen de commande d'arrêt, ce moyen de mesure délivrant sur une sortie un signal représentant une durée mesurée entre le déclenchement et l'arrêt, des moyens de traitement connectés par une entrée à La sortie du moyen de mesure temporelle, ces moyens de traitement étant aptes à, au moins, enregistrer des mesures effectuées par Le moyen de mesure temporelle, soustraire ces mesures entre-elles et déterminer une distance à partir d'une mesure temporelle. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier et Le second moyens de détection comportent chacun une photodiode et en ce que ces photodiodes sont identiques. 7 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le second moyen de détection comporte un moyen apte à recueillir un pourcentage déterminé de chaque impulsion lumineuse délivrée par les moyens pour émettre des impulsions lumineuses. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen apte à recueillir un pourcentage déterminé de chaque impulsion lumineuse est une fibre optique. 9 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de mesure de puissance connecté d'une part au commutateur et d'autre part, en sortie, à une entrée des moyens de traitement, ces moyens de traitement étant aptes à délivrer un signal de consigne de puissance en relation avec la mesure de puissance sur une sortie connectée à une entrée des moyens pour émettre des impulsions lumineuses.