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Principes fondamentaux de la mesure de distance et de la reconnaissance gestuelle à l'aide de capteurs ToF

Par Steve Leibson

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

De nombreuses applications nécessitent de pouvoir détecter la présence ou la distance d'objets physiques sans les toucher. Ce besoin de détection de proximité a conduit à de nombreuses solutions concurrentes, dont les capteurs temps de vol (ToF) optiques. Malgré leur précision, ils sont complexes et coûteux à implémenter, mais des solutions récentes ont permis de simplifier l'utilisation de la technologie.

Les produits qui utilisent la détection de proximité incluent les systèmes de mise au point automatique des appareils photo, les robots et les drones, une variété d'équipements de salle de bains et des capteurs d'accès pour les portes automatiques. Ce ne sont que des exemples, et la liste ne cesse de s'allonger. Les technologies concurrentes de détection de proximité s'étendent de simples capteurs ultrasoniques et infrarouges à des systèmes de capteurs plus complexes, tels que des caméras vidéo stéréoscopiques avec réseaux neuronaux.

Toutes ces technologies ont leurs limites et, tandis que l'intelligence artificielle peut être requise pour implémenter des tâches complexes, comme la reconnaissance des objets et le suivi pour les véhicules autonomes, la technologie semble exagérée pour distribuer des serviettes en papier et du savon. Les concepteurs, confrontés à des budgets et à des fenêtres de conception de plus en plus limités, doivent réduire les coûts, l'espace et les délais de conception.

L'une des alternatives à prendre en compte pour la détection de proximité est le capteur ToF. Ces capteurs mesurent la distance par rapport à un objet cible en calculant le temps de déplacement aller-retour des photons, du capteur vers l'objet, puis de nouveau vers le capteur. Auparavant, il était difficile d'implémenter des conceptions ToF de façon rapide et économique, mais de nouvelles générations de capteurs ToF hautement intégrés et abordables permettent désormais d'inclure une fonction très précise de détection sans contact dans des conceptions à un coût inférieur.

Cet article traitera de l'évolution et de l'utilisation de la technologie de mesure de distance, notamment les capteurs ToF, dans une multitude d'applications, que ce soit pour la détection de la distance ou la reconnaissance gestuelle. Il abordera ensuite le fonctionnement de la technologie de capteur ToF, avant de présenter quelques-unes des dernières solutions et l'approche à adopter pour une première utilisation.

Capteurs de proximité de première génération

L'appareil photo instantané Polaroid SX-70, lancé en 1972, intégrait de nombreuses technologies innovantes, comme une conception optique à trois miroirs rabattables, des lentilles de Fresnel, une batterie plate de 6 V intégrée dans le boîtier de film instantané et une barrette de flash (pour dix prises de vue). Toutefois, l'une des technologies introduites par Polaroid dans son appareil photo SX-70, et qui a eu le plus d'influence, était le système de mise au point automatique par sonar, apparu pour la première fois dans l'appareil photo Polaroid SONAR OneStep lancé en 1978 (Figure 1). Le système de mise au point automatique par sonar utilisait un transducteur ultrasonique innovant pour émettre des impulsions ultrasoniques et recevoir l'énergie des ultrasons réfléchie.

Image de l'appareil photo Polaroid SONAR OneStep SX-70

Figure 1 : L'appareil photo Polaroid SONAR OneStep SX-70 intégrait un transducteur ultrasonique (le grand cercle doré en haut de l'appareil photo) pour la mise au point automatique. (Source de l'image : Wikipédia)

Le capteur ultrasonique du SONAR a remporté un tel succès que Polaroid a développé des activités autour de ce seul capteur, et l'influence du capteur de mise au point automatique à ultrasons de Polaroid se ressent encore aujourd'hui. Par exemple, le module ultrasonique économique HRC-SR04 SEN-13959 de SparkFun est un capteur de distance avec des transducteurs distincts pour l'émission et la réception (Figure 2). Le capteur est conçu pour fonctionner directement avec une carte de développement Arduino. La portée du capteur s'étend de 2 cm à 400 cm et il est spécifié pour être capable de réaliser des mesures de proximité sans contact avec une résolution minimale de 3 mm.

Image du module ultrasonique SEN-13959 de SparkFun

Figure 2 : Le module ultrasonique SEN-13959 de SparkFun utilise des impulsions de 40 kHz réfléchies pour détecter la distance. (Source de l'image : SparkFun)

Pour mesurer la distance avec ce module, la carte Arduino (ou un autre contrôleur) envoie une impulsion de 10 µs vers la broche Trig de la carte, ce qui déclenche une série de huit courtes impulsions ultrasonores émises par l'émetteur ultrasonique. Les impulsions sonores atteignent la cible et sont réfléchies, avec une vitesse de déplacement de 343 m/s (dans un environnement typique à 20°C). La distance par rapport à la cible est le temps entre l'émission et la réception des impulsions ultrasoniques, multiplié par 343 m/s et divisé par deux (pour prendre en compte l'aller-retour).

Les impulsions ultrasoniques seront mieux réfléchies sur des surfaces dures que lorsqu'elles rebondissent sur des surfaces souples, comme des rideaux, des tapis, des vêtements et des animaux. La précision de la mesure dépendra de la méthode utilisée pour la temporisation des impulsions. Cette fonction de contrôle de temporisation n'existe pas dans le module SEN-13959 de SparkFun. La précision de la temporisation dépend alors du processeur hôte. De plus, la précision et la stabilité des mesures de distance à partir d'un capteur ultrasonique varient en fonction de la température de l'air (qui altère la vitesse du son dans l'air) et de la circulation d'air (qui emporte une grande partie de l'énergie des ultrasons réfléchis et atténue le signal de retour).

Les LED infrarouges (IR) sont également utilisées pour la détection de proximité et les mesures de distance. Par exemple, le capteur de mesure de distance de GP2Y0A41SK0F de Sharp Microelectronics est capable de détecter des objets à des distances de 4 cm à 30 cm selon l'intensité de la lumière infrarouge réfléchie, envoyée à partir d'une LED IR (Figure 3). Le capteur produit une tension analogique allant de plus de 3 V (correspondant à une proximité de 3 cm) à environ 0,3 V (correspondant à une proximité de 40 cm) pour indiquer la distance de l'objet. Le contrôleur hôte est chargé de convertir cette tension analogique en représentation numérique.

Image du capteur de mesure de distance infrarouge GP2Y0A41SK0F de Sharp

Figure 3 : Le capteur de mesure de distance infrarouge GP2Y0A41SK0F de Sharp peut détecter des objets sur une portée de 3 cm à 40 cm. (Source de l'image : Sharp Microelectronics)

Toutefois, comme la distance de l'objet repose sur la quantité d'énergie IR réfléchie, la précision de ce type de capteur IR est sujette à des erreurs, en raison de variables comme la réflectivité de l'objet et l'intensité de la lumière ambiante.

Une autre façon de mesurer la distance d'un objet grâce à la lumière infrarouge est de calculer le temps de vol des photons alors qu'ils se déplacent de l'émetteur infrarouge du capteur vers l'objet, sont réfléchis, puis reviennent vers le capteur. Ce type de capteur de mesure de proximité associe les caractéristiques ToF du capteur à ultrasons au caractère imperturbable de la vitesse des photons, qui n'est pas affectée par la circulation d'air, la lumière ambiante ou la réflectivité.

Jusqu'à récemment, il était difficile de calculer le temps de vol des photons se déplaçant sur de petites distances, car la lumière se déplace à 299 792 458 mètres par seconde, ou de façon empirique, environ 30 cm par nanoseconde. Par conséquent, les capteurs ToF ont besoin d'une temporisation subnanoseconde très précise afin de détecter les distances de quelques millimètres, centimètres ou même pouces.

Toutefois, grâce à l'industrie des jeux vidéo, la technologie de capteur ToF est devenue beaucoup plus abordable. La meilleure utilisation des capteurs ToF est peut-être à ce jour celle du contrôleur de jeu Kinect de Microsoft® (Figure 4). La première génération de Kinect de Microsoft a été lancée comme un périphérique pour la Xbox 360, fin 2010. Ce contrôleur est devenu très populaire chez les constructeurs de robots, parce qu'il pouvait générer des cartes en trois dimensions de l'environnement immédiat du robot à l'aide de la détection de distance ToF.

Image du contrôleur Xbox 360 Kinect de Microsoft

Figure 4 : Le contrôleur Kinect de Microsoft, conçu pour la console de jeux vidéo Xbox 360, se sert de la détection ToF pour créer une carte en trois dimensions de son environnement. (Source de l'image : Wikipédia)

La technologie de détection du contrôleur Kinect a été miniaturisée et simplifiée pour créer des capteurs de mesure de distance pratiques et adaptés à de nombreuses applications embarquées.

VCSEL et SPAD

Par exemple, STMicroelectronics propose désormais une gamme de plusieurs générations de capteurs ToF miniatures pour mesurer la proximité. Ces capteurs reposent sur des technologies fondamentales très modernes, comme les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) infrarouges et les matrices de photodiodes à avalanche à photon unique (SPAD).

Voici trois des capteurs présents dans cette gamme de capteurs ToF : VL53L0CX, VL53L1CX et VL6180X. Bien qu'ils mesurent tous la distance, chacun de ces capteurs présente des capacités différentes.

Le capteur ToF VL6180X de première génération est doté d'un mode de portée et mesure la proximité de quelques millimètres à 100 mm (Figure 5). Le capteur mesure 4,8 mm x 2,8 mm x 1,0 mm et a un champ de vision de 42 degrés. Il intègre également un capteur de lumière ambiante qui lui permet de compenser les changements d'éclairage ambiant.

Image du capteur VL6180X de première génération de STMicroelectronics

Figure 5 : Le capteur VL6180X de première génération de STMicroelectronics présente une portée maximale de 100 mm. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le capteur ToF de deuxième génération VL53L0CX offre une portée en intérieur de 50 mm à 1 200 mm par rapport à une cible blanche (Figure 6). Il mesure 4,4 mm x 2,4 mm x 1,0 mm avec un champ de vision de 25 degrés. En raison de la lumière ambiante, la portée maximale est réduite à 600-800 mm lorsque le capteur est utilisé en extérieur.

Image du capteur VL53L0CX de deuxième génération de STMicroelectronics

Figure 6 : Le capteur VL53L0CX de deuxième génération de STMicroelectronics offre une portée maximale de 1 200 mm. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le capteur ToF VL53L1CX de troisième génération présente trois modes de distance (Figure 7). La distance maximale pour les modes à courte portée, à portée moyenne et à longue portée est de 1 360 mm, 2 900 mm et 3 600 mm pour une cible blanche sans lumière ambiante. En cas de forte lumière ambiante, la distance maximale pour les modes à courte portée, à portée moyenne et à longue portée est de 1 350 mm, 760 mm et 730 mm. Paradoxalement, le mode à courte portée présente la plus longue distance de mesure en cas de forte lumière ambiante.

Le VL53L1CX mesure 4,9 mm x 2,5 mm x 1,56 mm avec un champ de vision maximum de 27 degrés. (Le champ de vision de ce capteur est programmable et peut être restreint, comme expliqué ci-dessous.)

Image du capteur VL53L1CX de troisième génération de STMicroelectronics

Figure 7 : Le capteur VL53L1CX de troisième génération de STMicroelectronics offre une portée maximale de presque 4 m. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Ces trois capteurs ToF envoient leurs mesures de proximité avec une résolution de 1 mm à un processeur hôte via une interface I2C qui sert également de port de contrôle aux capteurs. Comme les capteurs utilisent tous une interface I2C, ils sont extrêmement simples à connecter à un processeur hôte (Figure 8).

Schéma du capteur VL53L1CX de troisième génération de STMicroelectronics

Figure 8 : Comme les capteurs précédents de la gamme, le capteur VL53L1CX de troisième génération de STMicroelectronics se connecte à un processeur hôte à l'aide d'une simple connexion I2C. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Notez l'exigence de dérivation très spécifique pour les lignes d'alimentation AVDDVCSEL et AVDD. Les condensateurs de découplage de 10 nF et 4,7 µF doivent être placés au plus près du capteur pour empêcher le bruit d'alimentation d'entrer dans le capteur et de nuire à la précision.

Ces capteurs ToF sont quasiment tous unidimensionnels. Ils indiquent la proximité pour les objets présents dans leurs champs de vision. Si plusieurs objets sont dans le champ de vision, ces capteurs indiquent la distance pour l'objet le plus proche. Un seul capteur ne peut pas détecter la direction d'un geste de la main, mais il peut être utilisé pour détecter quatre gestes simples, notamment :

  1. Simple pression (main se déplaçant vers le bas pour « appuyer » sur le capteur)
  2. Double pression
  3. Simple balayage (main se déplaçant à travers le champ de vision du capteur)
  4. Double balayage

Il est possible d'obtenir des informations sur les gestes et les mouvements de l'un de ces capteurs ToF en utilisant un, deux ou plusieurs capteurs pour détecter les gestes et les mouvements dans plusieurs dimensions. Les capteurs ToF peuvent également être associés pour discerner un mouvement de la main de la gauche vers la droite ou de la droite vers la gauche.

De plus, davantage d'informations peuvent être obtenues à partir du capteur de proximité VL53L1CX de troisième génération, en réduisant de manière sélective son champ de vision. Cette opération nécessite la désactivation de chaque SPAD dans la matrice du capteur à l'aide des commandes envoyées au capteur via l'interface I2C. La matrice SPAD du capteur de proximité VL53L1CX consiste en 256 photodiodes dans une matrice de 16 x 16. Chaque partie carrée ou rectangulaire de la matrice peut être activée via les commandes logicielles permettant de spécifier les deux angles d'une case entourant les SPAD dans la matrice à activer. Le fait de réduire le nombre d'éléments actifs réduit également le champ de vision du capteur et restreint la région d'intérêt du capteur. La seule exigence est d'activer au moins 16 SPAD, en tant que matrice de 4 x 4 photodiodes, mais de plus grandes matrices sont également autorisées.

Conception avec des capteurs ToF

Pour dynamiser une conception, le capteur de proximité VL53L1CX est fourni avec un kit d'évaluation, le P-NUCLEO-53L1A1. Ce kit inclut la carte d'évaluation STM32F401RE Nucleo, basée sur un microcontrôleur STM32 de STMicroelectronics, et la carte d'extension X-NUCLEO-53L1A1 à monter sur la carte du microcontrôleur et pouvant accueillir deux cartes Breakout VL53L1X (également incluses dans le kit) (Figure 9).

Image du kit d'évaluation P-NUCLEO-53L1A1 de STMicroelectronics

Figure 9 : La carte Breakout de capteur incluse dans le kit d'évaluation P-NUCLEO-53L1A1 de STMicroelectronics intègre un capteur de proximité ToF V53L1X, directement monté sur la carte. La carte accepte deux autres capteurs V53L1X sur les cartes Breakout enfichables. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le kit d'évaluation P-NUCLEO-53L1A1 comprend également un logiciel système et des exemples de code source pour lancer plus rapidement le développement. STMicroelectronics offre également des modules d'extension de détection de mouvement et de portée ToF pour son pack de développement logiciel STM32Cube. Ces modules d'extension sont spécifiques à chaque capteur et peuvent être téléchargés gratuitement sur le site de STMicroelectronics.

En raison de leur format plutôt petit, ces capteurs ToF de STMicroelectronics peuvent être placés quasiment n'importe où pour répondre aux besoins du concepteur. Voici quelques exemples d'application pour vous inspirer :

  • Capteurs de proximité généraux pour les robots
  • Distributeurs de savon et de serviettes en papier sans contact
  • Chasses d'eau sans contact pour urinoirs et toilettes
  • Robinets sans contact
  • Suivi de mur et évitement d'objets pour les aspirateurs robots
  • Détecteurs économiques de présence de l'opérateur pour les ordinateurs portables et les moniteurs
  • Détection simple de présence et de mouvement pour les kiosques de vente
  • Gestion du stock physique pour les distributeurs automatiques
  • Comptage des pièces de monnaie pour les distributeurs automatiques
  • Étagères intelligentes gérant automatiquement le stock
  • Détection de proximité du sol pour les drones
  • Détection de proximité du plafond pour les drones en intérieur

Contrairement aux détecteurs de proximité basés sur des capteurs ToF à deux dimensions ou des caméras stéréo et réseaux neuronaux, le coût de ces capteurs de proximité ToF intégrés de STMicroelectronics est relativement faible, ce qui permet de les intégrer dans de nombreux produits finis conçus pour être vendus sur une vaste gamme de prix.

Conclusion

En matière de détection de proximité, il existe de nombreuses technologies disponibles, notamment optiques et ultrasoniques, et il existe aussi un grand nombre de bonnes solutions qui reposent sur ces technologies. Toutefois, l'une des dernières technologies de détection de proximité est le temps de vol (ToF). Cette technologie permet de mesurer la distance par rapport à une cible en calculant le temps aller-retour nécessaire pour qu'un photon quitte le capteur, se déplace vers la cible, puis soit réfléchi afin de revenir vers le capteur.

L'émergence de capteurs intégrés qui comportent des émetteurs et des récepteurs infrarouges, ainsi que les circuits nécessaires à la temporisation subnanoseconde des délais de déplacement des photons, rend l'utilisation de cette technologie rentable. Les kits de développement associés permettent aussi l'expérimentation et accélèrent le prototypage.

Avertissement : les opinions, convictions et points de vue exprimés par les divers auteurs et/ou participants au forum sur ce site Web ne reflètent pas nécessairement ceux de Digi-Key Electronics ni les politiques officielles de la société.

À propos de l'auteur

Steve Leibson

Steve Leibson a été ingénieur système pour HP et Cadnetix, rédacteur en chef pour EDN et Microprocessor Report, blogger technique pour Xilinx et Cadence (entre autres), et il est intervenu en tant qu'expert technologique dans deux épisodes de "The Next Wave with Leonard Nimoy". Il a aidé les ingénieurs de conception à développer des systèmes améliorés, plus rapides et plus fiables pendant 33 ans.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key