Brevet FR2731522A1 — publié le 19960913

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TELEMETRE OPTIQUE ET DETECTEUR D'OBSTACLES. La présente invention concerne un dispositif électronique pour la mesure rapide des distances et la détection d'obstacles fixes ou en mouvement, dans un rayon pouvant aller jusqu'a plusieurs dizaines de mètres, en utilisant des impulsions lumineuses à fréquence réglable et en mesurant l'angle de la lumière réfléchie par l'objet, selon la méthode de la triangulation optique. Cette invention s'applique au guidage des non-voyants et des amblyopes, et pour des utilisations industrielles, domotiques et de sécurité. ETAT DE LA TECHNIQUE. D'une manière générale, les mesures de distances et la détection d'obstacles en continu, utilisant l'émission de lumière et la triangulation optiques, se limitent à de courtes distances de l'ordre de 2 mètres, dans des milieux confinés et balisés, pour éviter des accidents oculaires par l'énergie du rayon lumineux émis. Pour les distances au-délà, la puissance et la densité lumineuses requises conduisent à l'utilisation de la lumière produite par un dispositif appelé Laser, et les risques d'accident oculaire grave augmentent encore, excluant leur utilisation dans un environnement fréquenté. Par ailleurs, la méthode par triangulation optique utilisée bien qu'étant beaucoup plus fiable que les autres procédés: ultrasons, etc. est très dépendante, à partir d'une certaine distance, des sources de rayonnement lumineux ambiant, visible ou infrarouge, qui sont autant d'obstacles pour un produit de large diffusion. AVANTAGES DE CETTE INVENTION. Cette invention a pour but de supprimer les inconvénients et limitations énumérées, en permettant également l'utilisation de sources lumineuses de faible puissance, et dont leur mode d'utilisation particulière ne présente pas de dangers oculaires. L'ensemble des solutions techniques utilisées procure, également, un fonctionnement fiable dans un milieu ambiant trbs perturbé, en détectant des cibles de quelques millimètres, ou se déplaçant rapidement, et dont le pouvoir de réflexion de la lumière est très faible, de l'ordre de 20% seulement. La méthode utilisée, et la disposition des différents circuits de la chaine de traitement du signal, permettent l'utilisation d'optiques standards et des composants électroniques du commerce regroupant une ou plusieurs fonctions, pour arriver à un haut degré d'intégration, fiabilité, faible consommation et dimensions réduites. Sa conception simple et compacte, dans un boitier d'environ 8 x 5 x 2 centimètres, å partir de composants standards, autorise une fabrication industrielle rapide, peu onéreuse. Cet appareil est équipé de diverses interfaces de sortie: 1. Interface de sortie en fréquence pour écouteur ou haut-parleur. 2. Interface de sortie par vibreur à effet tactile. destinées plus particulièrement à renseigner les non-voyants et amblyopes sur la présence et la position des obstacles. Quatre autres interfaces de sortie sont prévues pour une utilisation industrielle ou à des fins de sécurité: 3. Interface de sortie en tension, proportionnelle a la distance. 4. Interface de sortie par contacts de relais, relais dont le temps de réponse et le seuil de déclenchement sont réglables. 5. Interface de sortie visuelle, par diode lumineuse LED, dont l'allumage coincide avec l'excitation du relais. 6. Interface de sortie en fréquence, proportionnelle b la distance. FONCTIONNEMENT. D'une façon générale, ce télémètre optique détecteur d'obstacles fonctionne en émettant des impulsions lumineuses très brèves, à une cadence élevée, qui réfléchies par l'obstacle, arrivent sur le circuit de mesure selon un angle qui est fonction de l'éloignement de l'obstacle et de la séparation entre l'émetteur et le récepteur optiques. Il s'ensuit un traitement de ce signal pour faire abstraction des perturbations dues au milieu ambiant pouvant perturber ou rendre aléatoire cette mesure, suivi d'un calcul analogique qui fournit une tension dont la valeur dépend exclusivement de la distance à l'objet ou à l'obstacle détecté. Selon l'interface de sortie, cette indication peut être sonore ou tactile, à l'usage des non-voyants, visible par une diode electroluminiscente, ou de nature électrique: tension, fréquence, contacts de relais, pour un usage industriel, domotique ou de sécurité. Le schéma de la Figure 1 contient les éléments de cette invention, à titre d'exemple non limitatif. Les modules optiques d'émission 7, et de réception 12, sont montés sur un support rigide indéformable après montage des composants, et qui sert en meme temps de blindage optique entre les modules d'émission et de réception. Il sert aussi de blindage électrique et électrostatique. Le circuit 1 génère les différentes tensions d'alimentation et polarisation nécessaires aux autres circuits et à l'émetteur de lumière 7, à partir de l'alimentation raccordée sur 35. Le .circuit 2 est un oscillateur à agilité de fréquence dont le taux de variation est réglable entre O et 1/3 de la fréquence nominale, servant de base de temps qui fournit les différents signaux logiques L. S et E pour le fonctionnement synchronisé de la commande 3 de l'émetteur de lumière 4, des soustracteurs 17 et 18, et du circuit 6chantillonneur-bloqueur 21. Ce mode de fonctionnement par impulsions de courte durée et rapport cyclique élevé permet d'augmenter l'intensité de l'impulsion lumineuse émise par 4, par rapport à la valeur nominale en fonctionnement continu, augmentant ainsi l'amplitude du signal lumineux réfléchi, tout en ayant une valeur efficace d'énergie émise très faible de par le rapport cyclique élevé en fonctionnement, ce qui permet un fonctionnement sans risque pour la vue d'un éventuel observateur. La fréquence fixe ou variable de l'oscillateur 2 est une fonctionnalité qui améliore la fiabilité de ce système, en rejetant les perturbations à fréquence fixe ou variable des sources de rayonnement externe telles que lampes diverses, tubes fluorescents, etc. pouvant fausser la mesure. Les impulsions lumineuses émises par la diode 4 (diode LED ou diode LASER), sont polarisées en sortie par le filtre polariseur 5, et finement collimatées par l'optique 6. L'ensemble 7 ainsi constitué est monté sur un support rigide comme indiqué précédemment, à quelques centimètres de l'ensemble de réception optique 12, la distance entre les axes optiques respectifs constituant la base pour la triangulation optique. Cette distance entre les axes optiques de l'émetteur 4 et le récepteur 12 peut être augmentée pour obtenir une plus grande résolution et précision de la mesure. Le faisceau lumineux impulsionnel émis par l'émetteur 7 éclaire ponctuellement la cible ou obstacle éventuel, lequel est alors vu par le récepteur 12 selon un certain angle, fonction de son éloignement. Cette image est focalisée par la lentille 11, faite d'un matériau qui laisse passer sélectivement la lumière utilisée, traverse le polariseur 10 pour supprimer les réflexions parasites, puis forme un point lumineux sur les photodiodes 8 et 9 réunies ensemble dans un élément appelé PSD (de l'anglais Position Sensing Device), composant fournissant un courant différentiel proportionnel à la position du point lumineux. Les photodiodes 8 et 9 fourniront des impulsions de courant de mesure différenciées (selon la distance de l'obstacle), auxquelles s'ajoutera un courant de fond correspondant à l'éclairage ambiant, visible ou infrarouge selon la nature de la lentille 11 utilisée, et un courant de fuite selon la tension de polarisation Vp. Après amplification séparée par les amplificateurs 13 et 14 à compression de dynamique, la valeur du signal de fond avant l'impulsion sera mémorisée séparément, pour chaque voie, par les condensateurs 15 et 16, pour etre soustraite plus tard å la valeur totale, impulsion lumineuse comprise, par les circuits soustracteurs 17 et 18, dont le fonctionnement en commutation est piloté par le signal S de l'oscillateur base de temps 2. A la sortie de ces circuits soustracteurs, ces deux signaux encore impulsionnels vont être amplifiés par un amplificateur différentiel 19, avec décalage du zéro par le circuit 20, puis convertis en signal continu par le circuit échantillonneur-bloqueur 21, piloté par le signal E venant du circuit oscillateur base de temps 2. A ce niveau, le signal obtenu dépend exclusivement de la position de l'obstacle, il est pratiquement indépendant du pouvoir de réflexion optique de celui-ci et n'est pas influencé par les perturbations extérieures: luminosité ambiante pour la longueur d'onde considérée, éclairage artificiel, reflets ou impulsions lumineuses, ni, dans une large mesure, par la dérive thermique des composants électroniques. Cette tension de mesure délivrée par le circuit échantillonneur-bloqueur 21, est disponible en sortie 30 pour utilisation externe, et reprise pour piloter les différentes autres interfaces de sortie mentionnées: -Interface de sortie à relais, composée du circuit 22 avec réglage du temps de réponse et du seuil de déclenchement, et du circuit 23 de commande du relais 24, dont les contacts sont disponibles en 31 pour utilisation externe. -Interface de sortie visuelle par diode lumineuse LED 25, pilotée par le circuit 23, et dont l'allumage coïncide avec l'excitation du relais 24. -Interface de sortie en fréquence équipée d'un convertisseur tension/fréquence 26, avec une sortie directe 33 pour utilisation externe, et d'une autre sortie audio. via le circuit de mise en forme 27, pour connecter un haut-parleur ou écouteur sur la sortie 32. -Interface de sortie a effet tactile, composée du circuit oscillateur à amplitude variable 28, qui va piloter un vibreur 29, dont l'amplitude des oscillations est fonction de la distance de l'obstacle. Ces oscillations sont perceptibles au toucher par la membrane affleurante 34, montée en surface du boitier. REVENDICATIONS. 1). Procédé et dispositif de Télémètre optique et Détecteur d'obstacles par émission d'impulsions lumineuses avec mesure des distances par triangulation électronique, caractérise en ce qu'il peut comporter différentes interfaces de sortie, dont deux sont spécialement destinées å l'usage des non-voyants et amblyopes: -Une interface de sortie sonore à fréquence variable en fonction de la distance à l'obstacle, pour connecter un haut-parleur ou écouteur. -Et une interface de sortie par vibreur à effet tactile, dont l'amplitude des vibrations varie en fonction de la distance à l'obstacle. et quatre autres interfaces, de nature électrique et visuelle, pour des applications industrielles. 2). Télémètre selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une diode émettrice de lumière 4, du type LED ou LASER, à lumière visible ou infrarouge, dont la commande se fait par des impulsions lumineuses très brèves et de rapport cyclique élevé, ce qui diminue d'autant l'énergie lumineuse totale émise, et permet son utilisation sans risques d'accidents oculaires. 3). Télémètre selon la revendication 2 caractérisé en ce que la diode émettrice de lumière 4 peut être une source de lumière à faible densité, telle qu'une diode du type LED, pour des distances de détection jusqu'à 7 mètres. 4). Télémètre selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'électronique utilisée permet, sans modification de ses fonctions, l'utilisation en toute sécurité pour les passants, des émetteurs de lumière LASER collimatés, pour des portées de mesure de plusieurs dizaines de mètres. 5). Télémètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa channe de traitement du signal comporte des circuits compresseurs 13 et 14 de la dynamique des photodiodes 8 et 9, évitant ainsi toute saturation du signal, pour permettre son fonctionnement dans une large gamme de distances de détection. 6). Télémètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'utilisation des circuits électroniques de soustraction 17 et 18 permettent la mémorisation du signal de fond de chaque voie de mesure, correspondant a l'éclairage et les éventuelles perturbations du milieu ambiant, puis de soustraire ce signal de fond au signal total comprenant l'impulsion lumineuse, obtenant ainsi sur chaque voie la vraie valeur de mesure exempte d'erreurs, correspondant à la stricte mesure. 7). Télémètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'augmentation de la séparation entre l'émetteur et le récepteur optiques permet d'obtenir une plus grande précision dans la mesure des distances et, conjointement avec la revendication 4, une plus grande résolution spatiale due b la finesse du faisceau Laser émis. 8). Télémètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réglage de la fréquence de l'oscillateur base de temps 2, et sa possibilité de modulation en fréquence, font que la chai ne de traitement du signal se comporte comme un amplificateur accordé très sélectif permettant de supprimer les perturbations du milieu ambiant: lampes, tubes fluorescents, et autres émetteurs de lumière fonctionnant à des fréquences diverses, notamment b 50 ou 60 Hz du secteur électrique. 9). Télémètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'utilisation de filtres polariseurs de lumière sur les optiques d'émission et de réception augmente la fiabilité par élimination des réflexions parasites. 10). Télémètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'utilisation des photodiodes 8 et 9 ayant une géométrie de plus grandes dimensions, et une optique de distance focale augmentée. permet d'accroître de manière importante la précision de la mesure pour une gamme réduite de distances, pour des applications industrielles et de mesure.