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Les robots et les appareils de vision par ordinateur (machine vision) utilisent divers mécanismes de rétroaction pour garantir la précision. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour parvenir à discerner des espaces en trois dimensions de façon raisonnablement précise. Jusqu’à présent, des techniques de vision et de détection optiques, sonores et mécaniques ont fourni des résultats satisfaisants. Cependant, un niveau d’exigences plus élevé nous obligerait à parfaire notre copie – qui n’était pourtant pas si mauvaise, mais perfectible. La nouvelle génération de conceptions basées sur la vision entend détecter la profondeur et des volumes avec un degré de précision plus élevé.

Une question de bon sens

Les techniques utilisées jusqu’à présent suffisaient à répondre aux problèmes qui se posent. Les capteurs mécaniques de profondeur ou de surface les moins coûteux ne sont finalement ni plus ni moins qu’un potentiomètre linéaire à ressort ou un interrupteur de fin de course.

En revanche, dès qu’il s’agit d’avoir un minimum de précision, les techniques soniques et optiques s’avèrent plus efficaces et se passent de pièces mobiles. La détection optique de la distance s’utilise aussi bien dans de simples applications de détection de la présence que dans des applications de télémétrie plus précises. Dans un champ d’action compris entre moins d’un millimètre et huit mètres environ, un signal go/no-go indique la présence (ou l’absence) d’une cible.

Grâce à leur coût relativement peu élevé, les caméras haute résolution actuelles ont contribué au succès des techniques vidéo pour la mesure de distances et de volumes. Les critères de conception de la prochaine génération de matériel sont tels que les fabricants d’appareils n’auront pas d’autre choix que de proposer des solutions hautement performantes.

Un besoin accru d’options

En dehors des machines qui exigent un niveau de précision toujours plus élevé, la pandémie de COVID-19 a créé un besoin accru de machines capables de détecter les présences et le taux d’occupation dans un espace donné. Ainsi, l’espacement entre les personnes est un critère relativement nouveau que beaucoup de fabricants doivent encore intégrer à leurs appareils. Dans le même genre, il existe aussi une demande pour assister à la gestion de personnes atteintes de démence. Il est en effet essentiel qu’un système informatique global destiné aux établissements de soins puisse être en mesure de localiser au besoin les patients errants.

Les applications industrielles ont elles aussi tout intérêt à disposer de sous-systèmes de mesure de distance et de volume plus robustes et plus précis. Les technologies de fabrication de pointe ne cessent de se perfectionner, de fusionner, et, ce faisant, le contrôle de la précision, de la position, de la direction, de la vitesse, de la profondeur, etc., est un critère indispensable pour les machines de fabrication de prochaine génération. Prenons l’exemple d’une fraiseuse. Celle-ci utilise des moteurs et des engrenages précis pour positionner correctement les têtes de coupe et de meulage. Si elle est trop profonde, la tête de coupe se cassera. Si elle ne l’est pas assez, elle laissera trop de matière. La position idéale est déterminée à l’aide d’un outil de détection de la distance précis, et ce, même en cas de mauvais étalonnage. Le contrôle en boucle fermée produit de meilleurs résultats. Le gain de précision qu’offre le contrôle en boucle fermée profite aussi aux machines CNC, aux imprimantes 3D ainsi qu’aux machines de découpe et de soudage à laser/plasma.

Dernières innovations

Analog Devices a anticipé le besoin croissant de systèmes de détection et de mesure volumétriques pour de nombreuses applications. L’AD-FXTOF1-EBZ est un moteur vidéo modulaire dédié avec mesure de distance du temps de vol (ToF) intégrée (voir figure 1).

Figure 1 : le kit de développement de détection 3D modulaire prend en charge diverses applications, de la mesure volumétrique à la détection d’occupation et d’activité (Source : Analog Devices)

La résolution VGA de 640x480 à 30 images par seconde permet une intégration facile en tant que fonction périphérique à un superviseur d’application hôte. Elle est dotée d’une interface MiPi qui peut utiliser un câble flexible à 25 ou 15 broches vers une carte intercalaire.

Le laser infrarouge 940 nm est une VCSEL (une diode laser à cavité verticale émettant par la surface) sans danger pour les yeux qui permet de réduire les coûts de fabrication en éliminant la configuration de l’émetteur à angle droit. Il est prisé pour sa capacité à fonctionner dans des conditions de forte luminosité grâce, notamment, à son filtre passe-bande optique de 940 nm qui bloque le bruit et les interférences provenant de sources externes. Un diffuseur de type « batwing » procure à la lentille réceptrice un champ de vision précis de 87 par 67 degrés.

En termes de performances, le sondeur vidéo peut fonctionner sur deux plages réglables : une première de 20 cm à 180 cm et une autre de 50 cm à 300 cm pour une précision de 2 %. L’alimentation 5 V 2 A est plutôt résistante aux conditions environnementales, puisqu’elle est testée pour fonctionner dans une plage de température de -20 à +75 °C.

L’interface du kit de développement logiciel (SDK) permet de le connecter à un microprocesseur hôte, un microcontrôleur ou à des ordinateurs monocarte de type Raspberry Pi ou Nvidia (voir figure 2). Le SDK dispose aussi de wrappers OpenCV, Open C/C++, Python^®, MATLAB^®, Open3D et RoS que les développeurs pourront utiliser pour simplifier le développement de l’application. Notons aussi la présence de connectiques USB, Ethernet et Wi-Fi ainsi que d’une conception de référence et d’une nomenclature.

Figure 2 : la carte RFPC de la caméra et de l’objectif et les cartes AFE de traitement d’image utilisent des interfaces IIC pour le contrôle et la configuration. Les interfaces opérationnelles GPIO et MiPi permettent un contrôle et un accès aux données en temps réel (Source : Analog Devices)

Conclusion

Stimulés par le besoin accru de disposer de solutions de détection d’image et de distance rapides et à haute résolution, les concepteurs ont créé des capteurs, des robots, des véhicules et des systèmes de sécurité de prochaine génération. L’AD-FXTOF1-EBZ d’Analog Devices vous en donnera rapidement et facilement un premier avant-goût. Les futures versions de cette technologie devraient sans nul doute nous offrir une résolution plus élevée, des fréquences d’images plus rapides et des distances plus longues au fur et à mesure qu’elles seront intégrées à différentes applications domestiques et industrielles.

À propos de l’auteur

Après avoir terminé ses études en génie électrique, Jon Gabay a travaillé avec des entreprises de défense, commerciales, industrielles, de consommation, d'énergie et médicales en tant qu'ingénieur de conception, codeur de micrologiciels, concepteur de systèmes, chercheur scientifique et développeur de produits. Chercheur et inventeur en énergies alternatives, il s'est impliqué dans la technologie d'automatisation depuis qu'il a fondé et dirigé Dedicated Devices Corp. jusqu'en 2004. Depuis, il fait de la recherche et du développement, rédige des articles et met au point des technologies pour la prochaine génération d'ingénieurs et d'étudiants