# Tour d'horizon des capteurs polarimétriques dédiés à la robotique mobile

Julien Serres, Antoine Moutenet, Léo Poughon, Thomas Kronland-Martinet, Stéphane Viollet

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

## To cite this version:

Julien Serres, Antoine Moutenet, Léo Poughon, Thomas Kronland-Martinet, Stéphane Viollet. Tour d'horizon des capteurs polarimétriques dédiés à la robotique mobile. 18èmes journées Imagerie Optique Non-Conventionnelle, Mar 2023, Paris, France. , 2023. hal-04109732

HAL Id: hal-04109732

https://hal.science/hal-04109732

Submitted on 30 May 2023

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émanant des établissements d'enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

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# Tour d'horizon des capteurs polarimétriques dédiés à la robotique mobile

Julien Serres, Antoine Moutenet, Léo Poughon, Thomas Kronland-Martinet, Stéphane Viollet

► To cite this version:

Julien Serres, Antoine Moutenet, Léo Poughon, Thomas Kronland-Martinet, Stéphane Viollet. Tour d'horizon des capteurs polarimétriques dédiés à la robotique mobile. 18èmes journées Imagerie Optique Non-Conventionnelle, Mar 2023, Paris, France., 2023. hal-04109732v2

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https://hal.science/hal-04109732v2

Submitted on 6 Sep 2024

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# Tour d'horizon des capteurs polarimétriques dédiés à la robotique mobile

Julien R Serres<fnref n="1" />,<fnref n="2" />*, Antoine Moutenet<fnref n="1" />,<fnref n="3" />, Léo Poughon<fnref n="1" />, Thomas Kronland-Martinet<fnref n="1" />,<fnref n="4" />, et Stéphane Viollet<fnref n="1" />

**Objectif** : Trouver un cap nord géographique vrai sur la base des attributs du motif de polarisation du ciel

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>## Le motif de polarisation du ciel</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

# État de l'art : les 3 grandes familles de techniques de détection de cap optique

## Méthodes « imageantes » ou Stokes (conventionnelles)

Refs. [1,2, Polaris Sensor Technologies]

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

Sony Semiconductor
Solutions Group

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

* Filtres à grille métallique [1]
  DoFP Camera – Global shutter e.g., SONY IMX250MZR/MYR
  CMOS Couleur RGGB 2000€ l'unité
  Précision < 0,2° pour 5 mégapixels
  cap à 1 Hz

* SkyPass de Polaris Sensor Technologies [2]
  Seulement aux USA pour 36000€ l'unité
  https://www.polarissensor.com/skypass/
  Précision < 0,1°
  cap à 1 Hz

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

## Méthodes « imageantes » par transformation

Refs. [3,4]

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

* Lame à retard en S (Chinois) [3]
  Précision < 0,3°
  Coût d'un S-waveplate ~ 5000€
  Spectre visible uniquement
  Exploite uniquement l'angle de polarisation.

* Lame à retard linéaire (STELLANTIS) [4]
  CIFRE Léo Poughon [2019 - 2023]
  Aucun produit disponible (Coût unitaire < 30€)
  30 fps pour une sortie de cap cible à 10 Hz

## Méthodes « non imageantes » ou biomimétiques

Refs. [5,6]

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

* Exploite uniquement l'angle de polarisation

* Couplage par paires orthogonales

* Lentille superflue

* Choix de la sensibilité spectrale UVA – Visible

* Détection ultra-rapide : sortie de cap >100Hz

* Précision < 0,2°

* Coût pour une moyenne série < 500 €

# Perspectives futures à l'horizon 2030

* Les méthodes « imageantes » permettent de combiner différents attributs du motif de polarisation pour envisager une future géolocalisation.

* Les méthodes « imageantes » par transformation seront peu couteuses mais nécessiteront une banque d'images pour être calibrées.

* Les méthodes « non imageantes » nécessitent une grille de micro filtres polariseurs intégrés dont les coûts de fabrication vont se réduire.

# Bibliographie

[1] C. Lane, D. Rode, and T. Rösgen, "Calibration of a polarization image sensor and investigation of influencing factors," *Applied Optics*, vol. 61, no. 6, pp. C37–C45, 2022.

[2] L. M. Eshelman, A. M. Smith, K. M. Smith, and D. B. Chenault, "Unique navigation solution utilizing sky polarization signatures," in *Polarization : Measurement, Analysis, and Remote Sensing XV*, vol. 12112, p. 1211203, SPIE, 2022.

[3] Y. Fan, R. Zhang, Z. Liu, and J. Chu, "A skylight orientation sensor based on s-waveplate and linear polarizer for autonomous navigation," *IEEE Sensors Journal*, vol. 21, no. 20, pp. 23551–23557, 2021.

[4] L. Poughon, S. Mafrica, J. Monnoyer, L. Pradere, J.R. Serres J. R., S. Viollet. Procédé et système pour déterminer des données caractérisant un cap suivi par un véhicule automobile à un instant courant. Patent FR2111209 (FR), déposé le 21/10/2021.

[5] T. Labhart, "Polarization-opponent interneurons in the insect visual system". *Nature*, 331(6155), pp. 435-437, 1988.

[6] J. Dupeyroux, J. R. Serres, and S. Viollet, "Antbot : A six-legged walking robot able to home like desert ants in outdoor environments," *Science Robotics*, vol. 4, no. 27, p. eaau0307, 2019.

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

<footnote n="1">¹ Aix Marseille Univ, CNRS, ISM, 163 Av. de Luminy, 13009 Marseille, France</footnote>

<footnote n="2">² Institut Universitaire de France (IUF), 1 rue Descartes, 72231 Paris cedex 05, France</footnote>

<footnote n="3">³ Safran Electronics & Defense, 100 Av. de Paris, 91344 Massy, France</footnote>

<footnote n="4">⁴ Aix Marseille Univ, CNRS, IM2NP, 142 Av. Escadrille Normandie Niemen, 13013 Marseille, France</footnote>

<footnote>*julien.serres@univ-amu.fr</footnote>
<figure><img src="image_2.png" /></figure>

# Tour d'horizon des capteurs polarimétriques dédiés à la robotique mobile

Julien R Serres<fnref n="1" />,<fnref n="2" />*, Antoine Moutenet<fnref n="1" />,<fnref n="3" />, Léo Poughon<fnref n="1" />, Thomas Kronland-Martinet<fnref n="1" />,<fnref n="4" />, et Stéphane Viollet<fnref n="1" />

**Objectif** : Trouver un cap nord géographique vrai sur la base des attributs du motif de polarisation du ciel

## Nouvelle modalité de détection de cap

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

## Le motif de polarisation du ciel

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

**État de l'art** : les 3 grandes familles de techniques de détection de cap optique

## Méthodes « imageantes » ou Stokes (conventionnelles)

Refs. [1,2, Polaris Sensor Technologies]

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

Sony Semiconductor
Solutions Group

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

* Filtres à grille métallique [1]
  DoFP Camera - Global shutter
e.g., SONY IMX250MZR/MYR
CMOS Couleur RGGB 2000€ l'unité
Précision < 0,2° pour 5 mégapixels
cap à 1 Hz

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

* SkyPass de Polaris Sensor Technologies [2]
  Seulement aux USA pour 36000€ l'unité
  https://www.polarissensor.com/skypass/
  Précision < 0,1°
  cap à 1 Hz

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

## Méthodes « imageantes » par transformation

Refs. [3,4]

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

* Lame à retard en S (Chinois) [3]
  Précision < 0,3°
  Coût d'un S-waveplate ~ 5000€
  Spectre visible uniquement
  Exploite uniquement l'angle de polarisation.

* Lame à retard linéaire (STELLANTIS) [4]
  CIFRE Léo Poughon [2019 - 2023]
  Aucun produit disponible (Coût unitaire < 30€)
  30 fps pour une sortie de cap cible à 10 Hz

## Méthodes « non imageantes » ou biomimétiques

Refs. [5,6]

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

* Exploite uniquement l'angle de polarisation

* Couplage par paires orthogonales

* Lentille superflue

* Choix de la sensibilité spectrale UVA - Visible

* Détection ultra-rapide : sortie de cap >100Hz

* Précision < 0,2°

* Coût pour une moyenne série < 500 €

## Perspectives futures à l'horizon 2030

* Les méthodes « imageantes » permettent de combiner différents attributs du motif de polarisation pour envisager une future géolocalisation.

* Les méthodes « imageantes » par transformation seront peu couteuses mais nécessiteront une banque d'images pour être calibrées.

* Les méthodes « non imageantes » nécessitent une grille de micro filtres polariseurs intégrés dont les coûts de fabrication vont se réduire.

## Bibliographie

[1] C. Lane, D. Rode, and T. Rösgen, "Calibration of a polarization image sensor and investigation of influencing factors," Applied Optics, vol. 61, no. 6, pp. C37-C45, 2022.

[2] L. M. Eshelman, A. M. Smith, K. M. Smith, and D. B. Chenault, "Unique navigation solution utilizing sky polarization signatures," in Polarization: Measurement, Analysis, and Remote Sensing XV, vol. 12112, p. 1211203, SPIE, 2022.

[3] Y. Fan, R. Zhang, Z. Liu, and J. Chu, "A skylight orientation sensor based on s-waveplate and linear polarizer for autonomous navigation," IEEE Sensors Journal, vol. 21, no. 20, pp. 23551-23557, 2021.

[4] L. Poughon, S. Mafrica, J. Monnoyer, L. Pradere, J.R. Serres J. R., S. Viollet, Procédé et système pour déterminer des données caractérisant un cap suivi par un véhicule automobile à un instant courant. Patent FR2111209 (FR), déposé le 21/10/2021.

[5] T. Labhart, "Polarization-opponent interneurons in the insect visual system", Nature, 331(6155), pp. 435-437, 1988.

[6] J. Dupeyroux, J. R. Serres, and S. Viollet, "Antbot: A six-legged walking robot able to home like desert ants in outdoor environments," Science Robotics, vol. 4, no. 27, p. eaaau0307, 2019.

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

<footnote n="1">¹ Aix Marseille Univ, CNRS, ISM, 163 Av. de Luminy, 13009 Marseille, France</footnote>

<footnote n="2">² Institut Universitaire de France (IUF), 1 rue Descartes, 72231 Paris cedex 05, France</footnote>

<footnote n="3">³ Safran Electronics & Defense, 100 Av. de Paris, 91344 Massy, France</footnote>

<footnote n="4">⁴ Aix Marseille Univ, CNRS, IM2NP, 142 Av. Escadrille Normandie Niemen, 13013 Marseille, France</footnote>

<footnote>* julien.serres@univ-amu.fr</footnote>