• A) Comment les capteurs fonctionnent-ils ?

    Par CJP1 le 9 Février 2014 à 13:39
    Les capteurs
     
         Rappelons pour commencer qu'un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grande utilisable.
     
      
         La voiture autonome nécessite de nombreux capteurs puisqu'elle doit remplacer le conducteur, et donc remplacer la vision, l'ouïe, l'odorat... Mais ce qui est surtout important est de tenter de parvenir aux mêmes facultés que l'oeil humain, qui est l'organe le plus solliciter pour la conduite. La perception est donc un point clé pour la voiture autonome. Il faut réussir avec tous les capteurs à reconstituer la scène qui se déroule devant la voiture. Pour l'oeil humain, les informations visuelles sont transmises sous forme d'influx électrique au cerveau qui reconstruit la scène en fonction des informations portant sur la couleur, la forme, le mouvement, la localisation spatiale...
     
         ll faut donc tenter de réaliser la même chose avec le véhicule. Et c'est ce qu'il fait : il observe le monde externe à l'aide de capteurs et construit un modèle interne de l'environnement exterieur au sein de l'ordinateur de bord.
     
         Les capteurs optiques, à savoir les caméras et Lidar fournissent des informations précieuses sur l'environnement permettant ainsi une localisation précise de la voiture, en position et en orientation, ainsi qu'une segmentation des objets mobiles ou obstacles (piétons, véhicules à l'arrêt, objets sur la route, etc...). Les caméras, qui sont des capteurs passifs sont souvent préférées pour la reconnaissance et l'analyse des scènes. Les lidars, qui sont des capteurs actifs, souvent utilisés pour la détection d'obstacles.
     
         De plus, il apparaît clairement que pour naviguer en toute sécurité dans un environnement inconnu, il convient de parfaitement se localiser. Néanmoins, dans le contexte qui nous intéresse, les véhicules intelligents se déplaçent dans des environnements en constante évolution. En effet, si l'on se place dans un environnement routier, de nombreux objets sont en mouvement (automobiles, piétons, cyclistes, motos..) et la vitesse du véhicule, sa dynamique et les changements de luminosité ou les conditions  météorologiques, peuvent altérer la perception et en particulier la localisation. De plus il peut y avoir des problèmes ou l'absence de données GPS (par exemple dûe au masquage des satellites en milieu urbain). Dans ces conditions, seules les données des mesures proprioceptives (ce que la voiture perçoit directement grâce aux différents capteurs) sont disponibles.
     
         Il faut donc réaliser les meilleurs compromis possibles pour avoir une localisation parfaitement fiable, en utilisant au mieux la redondance fournie par les capteurs optiques que sont les caméras et les lidars, qui sont complétés par d'autres capteurs tels que les radars, l'odométrie roue, la centrale à inertie, le capteur à infrarouge et à ultrason...
     
                                       
     
                                                 Le lidar (Light Detection And Ranging )
     
     
         Intéressons nous d'abord au lidar appellé aussi télémètre laser ou laser plan tournant. Situé sur le toit, il tourne pour balayer son environnement à 360°. En comparaison avec l'oeil humain, le lidar a la fonction de traitement de l'espace, utile soit pour agir sur un objet soit pour comprendre l'organisation de la scène. Il correspondrait à la voie dorsale, donnant suite à l'air visuelle V5. (Schéma des aires visuelles)
         Le lidar fait parti de ce que nous appellons l'odométrie optique, c'est-à-dire les travaux réalisés pour estimer l'égo-mouvement du véhicule à partir de données télémetriques 3D.
     
         Le lidar permet de calculer la distance Lidar-Objet et donc de détecter un obstacle. C'est une technologie de mesure optique basée sur la propriété d'un faisceau renvoyé vers son émetteur. Le lidar fonctionne dans le domaine du visible et également dans le domaine ultraviolet et infrarouge, d'autre part il utilise un faisceau laser.
       
         Un lidar se compose d'un système laser chargé d'émettre l'onde lumineuse, d'un télescope qui récoltera l'onde rétrodiffusée (diffusion vers l'arrière d'une particule) par les particules rencontrées, et d'une chaîne de traitement qui quantifiera le signal reçu. Le laser émet une onde lumineuse. Elle intéragit avec les différents composants qu'elle rencontre. Une partie de cette onde est rétrodiffusée et collectée par le téléscope. A partir de cette composante rétrodiffusée, on peut alors déduire des informations quant à sa distance par rapport au système de mesure.
     
     
    Fonctionnement du lidar :                                                             
                                           
     
                             
    principe_lidar[1]
     
     
         Mais ce qui nous intéresse particulièrement ici est que le lidar peut, étant relié à l'ordinateur de bord, réaliser une carte 3D avec les informations reçues et peut ainsi influençer la voiture sur son déplacement. Et la cartographie Lidar est capable de produire rapidement une impressionnante densité de points 3D géoréférenciés et permet d'obtenir une imagerie à la pixellisation extrêmement fine, dont la qualité est proche de la haute définition. L'exactitude des points est équivalente aux relevés traditionnels mais avec un temps d'acquisition et de traitement nettement plus rapide que les anciennes méthodes.
     
     
         Le montage suivant a été réalisé à partir de 2 images prises par le prototype de voiture autonome FORD FUSION HYBRID. Les 2 vues de droites montrent ce que voit le conducteur (qui ne touche pas au volant bien entendu), et celle de gauche, la représentation 3D de l'environnement construite à partir du lidar.
     
     
     
          
    RTEmagicC_Ford_Lidar[1]
     
     
         Grâce au lidar nous sommes actuellement capables de déterminer une cartographie 3D permettant le plus d'autonomie possible. Cartographie réalisée en combinant le Lidar, les données des autres capteurs et le GPS. Cela permet de donner des précisions sur le terrain, les structures ou les objets balayés par le rayon laser.
    Un autre avantage du télémètre laser est qu'il ne dépend pas de l'énergie du soleil et fonctionne de jour comme de nuit, contrairement à l'oeil humain, qui de nuit est presque aveugle.
     
     

    Exemples de lidar:

    Lidar tournant pour perçevoir tout l'environnement à 360°. Le véhicule peut "voir" tout ce qui se passe autour de lui.

    La Ford fusion hybride avec ses 4 capteurs lidars :

    897400954d_Ford_Fusion[1]
     
     
     
    Un seul Lidar :
    velodyne_lidar_hdl-64e[1]
     
     
     
    Le lidar fait donc parti de l'odométrie, technique permettant d'estimer la position d'un véhicule en mouvement grâce à des odomètres. Les odomètres sont des capteurs embarqués qui mesurent une distance parcourue. L'odométrie visuelle 3D est une fusion entre le lidar et la caméra stéréoscopique.
     
     
     
                                                      Caméra stéréoscopique
     
         Plaçée en haut du pare-brise, elle surveille la route devant la voiture : elle repère les feux, déchiffre les panneaux de signalisation et aide l'ordinateur embarqué à détecter les objets mobiles tels que les piétons ou les vélos.
    Elle est équipée de deux objectifs l'un à coté de l'autre qui, comme les yeux humains permettent une vision en relief et une appréciation sommaire des distances. Les images qu'elle fournit sont très riches en information et demandent un lourd travaille d'analyse et d'interprétation par l'ordinateur de bord.
         Certaines voitures autonomes utilisent la vision monoculaire qui fonctionne bien aussi (par exemple un humain ou un animal borgne peuvent parfaitement se localiser). Cependant la vision stéréoscopique est plus sûre.
           
         Avec ce type de caméra, on met en relation deux images ou plus, prises au même instant, et issues de deux capteurs, généralement distants de quelques centimètres sur axe commun. Cela pour obtenir une information de distance. C'est exactement le même fonctionnement que chez l'homme : il y a réorganisation des fibres nerveuses au niveau du chiasma optique qui fait que chaque hémisphère cérébral va traiter les informations issues d'une seule moitié du champ visuel. Cette représentation est croisée, c'est-à-dire que l'hémisphère droit traitera les informations de cette partie gauche et inversement. C'est presque similaire pour la voiture sauf que cela est réalisé par un ordinateur. 
         Puis il faut extraire certaines informations pertinentes de l'image, et les utiliser pour une tache donnée (contrôle, cartoraphie, ...). Les caméras utilisent, pour sortir les bonnes informations, des points de repères dont dispose un environnement structuré : comme par exemple le fait que la route soit une bande continue entourée de deux lignes blanches.
         Une autre tâche de l'ordinateur de bord est de constituer une image 3D à partir de deux images 2D. Ainsi la caméra permet non seulement d'obtenir une image, mais aussi la profondeur des pixels se trouvant dans les champs de vision des deux caméras.
    De très nombreux traitements sont donc nécessaires pour l'interprétation.
     
     
     
         Le document ci-dessous montre la perception d'un robot par une caméra stéréoscopique. L'objet est considéré comme présent devant le robot s' il apparaît dans les deux images:
     
     
    Image403
     
     
     
    Dans le cas de la voiture autonome, ce sont des caméras gauche et droite.
    Le fonctionnement est très complexe, nous ne sommes donc pas rentrées dans les détails. Cependant voici un bref aperçu des manoeuvres à effectuer pour utiliser ces images :
     
     
     
     
     
    photo (21)
     

     

     Voici ce que voit la voiture grâce aux caméras et au lidar:

     
     
    Mais le lidar et la caméra ne sont pas les seuls capteurs. Pour accroître la fiabilité de la conduite autonome, ils sont couplés avec de nombreux autres capteurs, dont...
     
     
     
                                                          Les radars
     
     
     
         Plusieurs capteurs radars traditionnels permettent de détecter la position des objets environnants, proches ou éloignés. Par rapport à l'oeil humain, le radar étant capable de reconnaître des formes, nous faisons une analogie avec la voie ventrale, impliquée dans la reconnaissance des formes (Schéma des aires visuelles ).
    Le plus souvent il y en a 3 ou plus plaçés sur le pare-choc avant et 1 ou plus sur le pare-choc arrière. Il mesure ainsi facilement la distance avec les objets proches. Ce système est déja installé dans des voitures non autonomes, pour l'aide au stationnement. Les radars avants permettent de maintenir la distance de sécurité, de déclencher le freinage d'urgence. Ceux de l'arrière surveillent qu'aucune autre voiture ne double lors des changements de file ou des dépassements.
     
         La mesure de distance par un radar est possible du fait des propriétés de l'énergie électromagnétique :
     
    • Cette énergie circule normalement dans l'espace en ligne droite à une vitesse constante. Elle peut parfois être soumise à des variations minimes dues à la météo ou à l'atmosphère ;
    • L'énergie électromagnétique se déplace dans l'air approximativement à la vitesse de la lumière : 3.108 m/s ;
    • Réflexion des ondes électromagnétiques :

         Elles sont réfléchies lorsqu'elles rencontrent une surface conductrice. Si après l'émission d'un signal on est capable de reçevoir une partie de son énergie qui retourne vers la source, alors on a la preuve qu'un obstacle se trouve dans la direction de sa propagation.

         On en déduit aussi la distance entre le véhicule et l'objet sur la base de la vitesse de l'onde (3.108 m/s) et de l'intervalle de temps entre son émission et sa réception.

       Au bout de l'intervalle de temps ΔT1, l'onde électromagnétique atteint sa cible située à la distance D. L'onde réfléchie atteint le récepteur après ΔT2 =ΔT1.

       L'intervalle de temps qui sépare l'émission de la réception est :

    ΔT=ΔT1 + ΔT2  = 2D/vitesse

       Donc la distance est D=(ΔT x vitesse)/2.

         Un des gros avantages des radars est qu'il est indépendant aux conditions météorologiques comme la pluie ou la neige. Il n'est donc pas étonnant de le retrouver dans une voiture autonome où il permet de réguler la vitesse en fonction de son environnement.

    Les radars avants sur la voiture google :
     
    voiture-autonome-google[1]
     
     
     
     
     
     
     
     
                                                         Le capteur à infrarouge
     
     
     
         Le capteur à infrarouge a pour fonction remplace l'oeil humain en détectant les couleurs des lignes suivies. Il joue en quelques sortes le rôle des cônes de la rétine.
    En suivant les lignes de la route, ce système permet à la voiture autonome de rester dans la voie et ainsi de ne pas tomber dans le fossé ni de gêner les autres voitures.
    Le système de ligne est pour cela très pratique. En effet on suit une ligne blanche sur un fond noir or le noir réfléchit beaucoup moins la lumière infrarouge que le blanc. Les signaux perçus sont donc différents.
     
         Ce capteur est constitué d'un émetteur d'infrarouge et d'un récepteur qui détecte l'intensité lumineuse infrarouge. On fait une mesure avec la led infrarouge allumée et avec la led éteinte. S'il n'y a aucun obstacle proche, ou de changements de lignes, la valeur lue est la même. Sinon l'obstacle aura réfléchi la lumière infrarouge et la deuxième mesure sera plus élevée.
     
         Ce système est très efficace, d'autant plus qu'il permet une vision parfaite de jour comme de nuit. De nuit son utilité change et les formes des lignes sont plutôt préférées à l'analyse des couleurs de celles-ci. Le capteur prend alors la fonction de bâtonnets.
     
     
     
                                                   L'odomètre roue ou codeur roue
     
     
     
         La localisation du véhicule se fait aussi à l'aide d'un capteur de déplacements situé sur une roue, pour accroître la précision de la localisation. Il permet de mesurer la vitesse ou la distance parcourue par une voiture. Il compte en effet le nombre de rotation d'une roue. Connaissant la circonférence de cette dernière, il peut en déterminer la vitesse du véhicule en fonction du nombre de rotation par rapport au temps. Il peut également déterminer la distance parcourue par le véhicule.
     
         Plus précisement, il fournit une estimation en temps de la position et du cap du véhicule par rapport au repère de référence initial. C'est une technique basée sur l'intégration des mouvements angulaires des roues.
     
         Il y a des sources d'erreurs comme l'impression des paramètres géométriques du véhicule (rayon des roues), ainsi que les phénomènes de glissement et/ou de patinage des roues.
     
     
                                          Un odomètre roue:
     
     
    05650656-photo-toyota-advanced-active-safety-research-vehicle
     
     
     
                                                        Centrale à inertie
     
     
         La voiture sans yeux humains ne peut pas imaginer l'espace, les angles des virages lui sont donc inconnus. La centrale inertielle a donc pour but de relèver la direction et la courbure des virages. Elle permet d'intégrer les mouvements de la voiture (accélération...) pour estimer son orientation, sa vitesse et sa position. Elle est très utilisée pour compléter les données du GPS, parfois défaillant.
        
         L'accélération du mobile par rapport à un repère galiléen (référentiel dans lequel le principe d'inertie s'applique : un objet isolé, c'est à dire ne subissant aucune force, suit un mouvement rectiligne uniforme) est mesurable grâce à des accéléromètres. Il en faut trois, un pour chaque axe de l'espace (Nord-Sud, Ouest-Est, la verticale). Les accéléromètres sont stables par rapport au véhicule.
         L'accéléromètre mesure la force à laquelle est soumise la masse de la voiture pour en déduire son accélération  et permet d'estimer le déplacement linéaire du véhicule.
     
         Dans une centrale à inertie, il y a trois gyromètres qui mesurent la vitesse de rotation. Ce sont des capteurs de vitesse angulaire. L'intègration de cette mesure de vitesse de rotation permet d'obtenir une estimation de l'angle de cap d'un véhicule.
     
     
     
     
    CENTRALE INERTIELLE
     
     
     
     
     
     
         Ces deux capteurs : centrale à inertie et odomètre roue sont particulièrement utiles en l'absence de signal GPS. Connaissant la distance parcourue depuis la dernière position GPS relevée et les virages effectués, l'ordinateur de bord peut en déduire où se trouve la voiture.
     
     
     
     
                                                       Capteur à ultrasons
     
     
     
         Nous nous intéressons  ensuite au capteur à ultrason. Il est déja très utilisé pour l'aide au stationnement dans nos voitures actuelles. Il permet de mesurer des distances entre l'objet qui fait obstacle à la voiture et la voiture elle même, mais des courtes distances, puisque sa portée n'est que de quelques mètres (3m en général). Pour obtenir un angle de balayage (champ concerné) assez large, plusieurs capteurs sont intégrés dans le pare-choc. Leur nombre peut varier de 4 à l'arrière et de 4 à 6 à l'avant du véhicule.
        
         Il fonctionne comme les radars mais dans le domaine des ondes sonores. Il émet à intervalles réguliers de courtes impulsions sonores à haute fréquence. Lorsqu'elles rencontrent un objet, elles se réfléchissent et reviennent sous forme d'écho au capteur. Celui-ci calcule alors la distance sur la base du temps écoulé entre l'émission du signal et la réception de l'écho. La distance étant déterminé par le temps de propagation des ultrasons et non par leur intensité, ces capteurs conviennent parfaitement à detecter des objets.
     
         L'avantage est qu'ils peuvent être mis en oeuvres dans des atmosphères poussiéreuses ou du brouillard et même des fins dépôts sur la membrane du capteur n'empêche pas son bon fonctionnement.
     
     
     
     
     
     
     
    POUR RESUMER LES DIFFERENTS CAPTEURS DANS NOTRE VOITURE AUTONOME
     
     
     
    renault-pamu-622x466
     
         Cette représentation nous montre bien que la voiture autonome est capable avec tous ces capteurs de reproduire toutes les facultés des hommes, qui sont nécessaires à la conduite. Il y a bien une sorte de reproduction du cerveau  humain, avec la volonté de recréer de manières informatiques les aires impliquées dans la réaction et la localisation.
     
     
    Voila comment sont situer les differents capteurs:
     
     
     
     
    photo-4097523-M[1]
     
     
                                                                                  Retour au plan et problématique 
     

    votre commentaire


    Suivre le flux RSS des articles de cette rubrique
    Suivre le flux RSS des commentaires de cette rubrique