FR2600412A1 - Dispositif opto-electronique pour la determination de la distance et de la forme d'un objet - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF OPTO-ELECTRONIQUE POUR LA DETERMINATION DE LA DISTANCE ET DE LA FORME D'UN OBJET, COMPRENANT PLUSIEURS SOURCES DE LUMIERES TELLES QUE DES DIODES LASER 10 ASSOCIEES A DES FIBRES OPTIQUES 18 TRANSFORMANT LES FAISCEAUX LUMINEUX EMIS EN FAISCEAUX CYLINDRIQUES VOISINS 22 SENSIBLEMENT PARALLELES, QUI SONT ORIENTES VERS LA SURFACE DE L'OBJET 24 A RECONNAITRE. UN CAPTEUR PHOTOSENSIBLE 28, TELLE QU'UNE DIODE PIN, RECOIT UN FAISCEAU LUMINEUX 34 DIFFUSE PAR L'OBJET ET EST ASSOCIE A DES MOYENS DE CALCUL 38 DETERMINANT PAR TRIANGULATION LA DISTANCE DE L'OBJET. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT AU PILOTAGE DE L'ORGANE TERMINAL D'UN ROBOT EN BOUCLE FERMEE.

Description

DISPOSITIF OPTO-ELECTRONIQUE POUR LA DETERMINATION DE LA
DISTANCE ET DE LA FORME D'UN OBJET
L'invention concerne un dispositif opto-électronique permettant, de façon générale, de déterminer la présence, la distance, l'orientation et la forme d'un objet.

Un tel dispositif trouve des applications très nombreuses dans tous les types d'industries et peut par exemple être associé à l'organe terminal d'un robot pour le piloter en boucle fermée et le guider durant au moins la phase finale de son mouvement, notamment pour reconnaître un objet et indiquer sa distance et sa position par rapport à un moyen préhenseur ou un outil équipant l'organe terminal du robot.

On connaît déjà des dispositifs opto-électroniques susceptibles d'être utilisés dans ce but, qui comprennent des sources de lumière, telles que des diodes électro-luminescentes activées séquentiellement et émettant des faisceaux lumineux focalisés sur une cible, un capteur photosensible bidimensionnel destiné à recevoir sur sa surface un faisceau lumineux réfléchi ou rétrodiffusé par la cible, et des moyensvde calcul par triangulation de la distance de la cible, à partir de la position sur la surface sensible du capteur du point d'impact du faisceau lumineux réfléchi ou rétro-diffusé par la cible.Les diodes électroluminescentes associées à des optiques de focalisation sont agencées en cercle autour du capteur photosensible et orientées vers un même point de l'axe optique du capteur, de façon à ce que leurs faisceaux lumineux déterminent un cône, dont le sommet se trouve à quelques centimètres du capteur.

Un tel dispositif permet de déterminer l'orientation ainsi que la distance d'une cible avec une erreur annoncée inférieure à 0,1 mm, mais n'a qu'une profondeur de champ (ou plage de mesure) extrêmement réduite, de l'ordre du centimètre.

Pour augmenter la profondeur de champ ou plage d'utilisation possible d'un tel dispositif, il a été proposé de multiplier le nombre de sources lumineuses pour former plusieurs cônes lumineux convergeant sur l'axe optique du capteur en des points espacés les uns des autres. On est ainsi parvenu à augmenter la profondeur de champ jusqu'à 10 cm environ, en utilisant dixhuit sources lumineuses agencées pour former cinq faisceaux lumineux coniques convergeant sur l'axe optique du capteur, ce qui se traduit notamment par de plus grandes difficultés d'intégration des signaux du capteur en raison de l'espacement important des sources lumineuses et par une augmentation de l'encombrement du dispositif, interdisant d'augmenter davantage la profondeur de champ par ce moyen.

L'invention a pour but d'apporter une solution simple et efficace au problème de l'augmentation de la profondeur de champ ou plage d'utilisation d'un tel dispositif, tout en limitant son encombrement de façon à ce qu'il puisse être associé sans difficultés à l'organe terminal d'un robot, tout en conservant une bonne précision sur la mesure de la distance et de l'orientation de la surface d'un objet visé.

L'invention propose à cet effet, un dispositif opto-électronique pour la détermination de la distance et de la forme d'un objet, comprenant des sources de lumière émettant chacune un faisceau lumineux en direction de l'objet, des moyens d'activation séquentielle des sources de lumière, un récepteur recevant sur sa surface un faisceau lumineux réfléchi ou rétrodiffusé par l'objet, des moyens de détermination de la position du point d'impact de ce faisceau sur la surface du récepteur, et des moyens de calcul par triangulation de la distance de l'objet, caractérisé en qu'il comprend des moyens associés aux sources de lumière pour transformer les faisceaux lumineux qu'elles émettent en faisceaux de préférence sensiblement cylindriques voisins les uns des autres et qui sont sensiblement parallèles ou à divergence de préférence faible, I'axe optique du récepteur étant orienté en oblique sur l'axe optique de l'ensemble des faisceaux lumineux cylindriques voisins.

Comme l'objet, dont il faut déterminer la distance, l'orientation et la forme reçoit séquentiellement des faisceaux lumineux cylindriques qui sont voisins et parallèles ou qui divergent faiblement, le dispositif selon l'invention peut être utilisé avec une profondeur de champ plusieurs fois supérieure à celle des dispositifs antérieurs connus, dans lesquels la profondeur de champ était nécessairement limitée par le fait que les faisceaux lumineux émis par les sources convergeaient sur l'axe optique du récepteur en un ou plusieurs points prédéterminés qui constituaient le ou les points de mesure optimale.

Les moyens prévus par l'invention pour produire ces faisceraux lumineux cylindriques voisins et sensiblement parallèles sont avantageusement des fibres optiques, dont les extrémités d'entrée sont associées chacune à une source de lumière et dont les extrémités de sortie sont assemblées selon une disposition prédéterminée, par exemple matricielle en rangées et colonnes.

Grâce à l'utilisation des fibres optiques, les sources de lumière peuvent être placées en un point fixe relativement éloigné des extrémités de sortie des fibres, tandis que ces dernières, avec leurs moyens d'assemblage, peuvent être montées avec un encombrement faible sur un élément mobile tel que l'organe terminal d'un robot. Par ailleurs, les faisceaux lumineux cylindriques sortant des fibres optiques conservent un diamètre sensiblement constant sur une distance relativement grande.

Selon une autre caractéristique de l'invention, une optique de focalisation est associée aux extrémités de sortie des fibres optiques et agit sur la cylindricité de chaque faisceau et sur la divergence de l'ensemble des faisceaux lumineux sortant de ces fibres.

Avantageusement, les sources de lumière sont des diodes électroluminescentes, de préférence des diodes laser qui émettent des faisceaux de lumière impulsionnels et puissants.

Pour éviter la saturation du récepteur, la puissance d'émission des diodes laser est asservie à l'intensité d'un signal de sortie du récepteur. On peut ainsi faire fonctionner le récepteur avec une dynamique optimale.

Ce récepteur peut être un capteur photosensible analogique, tel qu'une diode
PIN de grande dimension, et de préférence monodirectionnelle pour améliorer le rapport signal sur bruit.

Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les extrémités de sortie des fibres optiques sont maintenues assemblées entre elles par une virole , dont la périphérie présente une fente traversée par une vis micrométrique permettant son expansion pour le montage et l'assemblage des extrémités des fibres et son resserrement pour le maintien des fibre dans une configuration déterminée, par exemple matricielle.

Cette virole permet donc d'assembler les extrémités de sortie des fibres optiques avec une configuration matricielle voulue, tout en évitant les risques de rupture des fibres lors de leur montage dans la virole
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés et dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un dispositif selon l'invention - la figure 2 représente de façon plus détaillée la structure de ce dispositif - la figure 3 est une vue schématique des moyens d'assemblage des extrémités des fibres optiques avec une configuration matricielle.

Dans ce qui suit, le terme "circuit" désigne un moyen assurant une fonction par l'intermédiaire de circuits électroniques et/ou d'un logiciel en association avec un microprocesseur ou autre moyen de traitement de l'information.

On se réfère d'abord à la figure 1 représentant schématiquement un mode de réalisation préféré d'un dispositif selon l'invention.

Ce dispositif comprend un certain nombre de sources de lumière 10, qui sont ici constituées par des diodes laser reliées à un circuit 12 d'alimentation et de-commande d'allumage. Chaque diode laser 10 est éventuellement associée à une optique de focalisation 14, constituée par exemple par un tronçon de fibre optique à gradient d'indice, dont une extrémité est collée sur l'extré- mité correspondante de la diode laser 10. Le tronçon de fibre optique 14 est relié par un connecteur réglable 16 à une extrémité d'une fibre optique 18 pouvant avoir une longueur de plusieurs mètres, par exemple lorsque les diodes laser et leur circuit d'alimentation et d'allumage sont montés à poste fixe, tandis que les autres extrémités des fibres optiques 18 sont montées sur un élément mobile.

Ces autres extrémités des fibres optiques sont assemblées entre elles avec une configuration déterminée, par exemple matricielle en rangées et colonnes au moyen d'un boîtier ou virole 20 représenté plus en détail en figure 3.

Les extrémités de sortie des fibres optiques 18 sont ainsi maintenues parallèles et au voisinage les unes des autres de façon à émettre, lorsque les diodes laser 10 sont allumées séquentiellement, des faisceaux lumineux 22 qui sont sensiblement cylindriques et parallèles ou qui ont une divergence faible, avec un entreaxe déterminé. Ces faisceaux lumineux cylindriques 22 sont orientés vers la surface de l'objet 24 dont il faut déterminer la présence, la distance, l'orientation et/ou la forme, et sont de préférence alignés dans l'axe du déplacement de l'organe mobile sur lequel est monté le boîtier 20.

Une optique de focalisation 26 montée à la sortie du boîtier 20 permet d'obtenir que les faisceaux lumineux 22 soient sensiblement cylindriques et parallèles ou avec une divergence faible.

Les faisceaux lumineux 22 atteignant la surface de l'objet 24 sont d'une part réfléchis et d'autre part rétro-diffusés par cette surface.

Un capteur photosensible analogique 28, associé à une optique de focalisation 30, est placé au voisinage du boîtier 20 et est orienté de telle sorte que son axe optique 32 et l'axe optique de l'ensemble des faisceaux lumineux cylindriques 22 soient disposés obliquement par rapport à l'autre, et à une distance faible l'un de l'autre. Le capteur 28 est de préférence constitué par une diode PIN monodimensionnelle comprenant une électrode à chacune de ses extrémités longitudinales pour délivrer un courant il, i2 respectivement dont l'intensité est fonction de la position par rapport au centre O de la diode du point d'impact I d'un rayon ou faisceau lumineux 34 diffusé par la surface de l'objet 24.

Les électrodes de sortie du capteur 28 sont reliées à un circuit analogique 36 de traitement des deux signaux de sortie du capteur 28, comprenant des moyens d'amplification et d'intégration des signaux ainsi qu'un convertisseur analogique - numérique, dont les sorties sont reliées à des entrées d'un circuit 38, comprenant un microprocesseur, de calcul par triangulation de la distance entre les extrémités de sortie des diodes 18 et la surface de l'objet 24.

De façon classique, la connaissance de la géométrie de l'ensemble boîtier 20 - capteur 28 permet de déterminer la distance de l'objet 24 à partir de la distance O I entre le centre du capteur 28 et le point d'impact du faisceau diffusé 34.

La connaissance de la distance de l'objet 24 permet, par l'intermédiaire d'un circuit de commande 40 relié au circuit de calcul 38, de piloter en boucle fermée l'élément mobile sur lequel sont montés le boîtier 20 et le capteur 28, et de le guider, au moins pendant la phase finale de son mouvement, vers l'objet 24. En variante, il est possible de piloter également le mouvement de l'objet 24 lorsque celui-ci est mobile.

On peut ainsi, de façon générale, effectuer des opérations de recherche de pièces, de détection et de cadrage d'un repère, d'approche et de saisie d'objets, de détermination et de suivie du déplacement d'un objet, de reconnaissance de la situation d'un objet connu, de reconnaissance de profil, de forme, de mesure de hauteur, etc...

Le circuit de calcul permet également d'asservir la puissance d'émission des diodes laser 10 à l'intensité d'un signal fourni par la capteur 28, afin d'éviter la saturation de ce capteur et de le faire fonctionner avec une dynamique optimale.

On fera maintenant référence à la figure 2, qui représente plus en détail la constitution d'un dispositif selon l'invention.

On utilise, dans cette figure, les mêmes références qu'en figure 1 pour désigner des éléments identiques.

Chaque électrode de sortie-du capteur photosensible 28 est reliée à l'entrée d'un circuit analogique 42 d'amplification et d'intégration, dont la sortie est reliée à l'entrée d'un circuit 44 de conversion analogique-numérique. Pour éviter la transmission d'informations analogiques sur de grandes distances, les circuits 42 et 44 peuvent être constitués par des cartes électroniques associées directement au capteur 28 et formant un ensemble compact avec celui-ci. Les sorties des convertisseurs 44 sont reliées, d'une part aux entrées d'un circuit additionneur 46 et d'autre part-, aux entrées d'un circuit soustracteur 48 effectuant respectivement le calcul de l'addition et de la soustraction des signaux de sortie des deux circuits 44.La sortie du circuit additionneur 46 est reliée à l'entrée d'un circuit 50 de test de dépassement de seuil d'énergie, dont une sortie est reliée à une entrée d'un circuit 52 de réglage de la puissance d'émission des diodes laser 10 et dont une autre sortie est reliée, avec la sortie du circuit soustracteur 48, aux entrées d'un circuit 54 de calcul du rapport entre la différence et la somme des signaux de sortie des circuits 44. Ce rapport est proportionnel à la distance entre le centre du capteur 28 et le point d'impact d'un faisceau lumineux diffusé par l'objet et permet ensuite de déterminer la distance de l'objet 24, soit par calcul, soit par comparaison à des tables de valeurs préalablement enregistrées dans une mémoire 56.L'information ainsi obtenue est rangée dans un registre 58, où sont rangées successivement les informations correspondant chacune à l'allumage d'une diode laser 10 différente.

La sortie du circuit comprenant le registre 58 est reliée à une entrée d'un circuit d'incrémentation 60, dont une autre entrée est raccordée à un moyen d'initialisation 62 et dont la sortie est reliée, avec la sortie du circuit de réglage 52, aux entrées d'un circuit 64 de commande d'allumage séquentiel des diodes 10.

Les informations contenues dans le registre du circuit 58 sont transmises à un circuit 66 élaborant une stratégie de commande, dont la sortie est reliée au circuit 40 de commande de l'élément mobile sur lequel sont montés le capteur 28 et les extrémités de sortie des diodes 18 (et/ou éventuellement à un circuit de commande de déplacement de l'objet 24).

En figure 2, la ligne tiretée 68 indique une séparation entre les constituants qui sont montés sur un élément mobile et ceux qui sont montés à poste fixe.

Pour fixer les idées, on indiquera, à titre d'exemple, que le dispositif selon l'invention peut comprendre neuf diodes laser et donc neuf fibres optiques 18, dont les extrémités de sortie sont assemblées en une matrice carrée 3x3.

L'entreaxe des faisceaux lumineux sortant des fibres optiques 18 peut varier entre 5 et 10 mm suivant les réalisations, chaque faisceau ayant un diamètre d'environ 2 mm dans la plage d'utilisation possible 50-250 mm. L'erreur sur une mesure de distance est inférieure à 0,3 mm à une distance de 50 mm et inférieure à 1 mm à une distance de 250 mm. La durée d'acquisition et de calcul d'une information correspondant à l'allumage d'une diode laser est inférieure à une milliseconde, ce qui permet de commander par exemple un robot en temps réel.

L'étalonnage du dispositif selon l'invention est réalisé simplement, de la façon suivante.

A partir d'une position de référence, un opérateur déplace une cible et effectue des mesures de distance avec le dispositif selon l'invention. La comparaison entre les distances réelles et les distances mesurées correspondantes définit les caractéristiques d'étalonnage. Les circuits de calcul permettent, à partir de quelques unes des ces caractéristiques, d'effectuer un lissage pour obtenir la courbe d'étalonnage.

Cette courbe inclut tous les paramètres géométriques du dispositif et permet de prendre en compte la non linéarité de la réponse du capteur. Elle définit ainsi la réponse du capteur de son champ de vision vers toute sa surface photosensible et permet donc d'optimiser sa dynamique.

On se réfère maintenant à la figure 3 représentant schématiquement un boîtier ou une virole 20 d'assemblage des extrémités de neuf fibres optiques 18 en une matrice carrée 3x3.

Connaissant le diamètre extérieur moyen des différentes fibres optiques, on réalise une virole mécanique qui est reprise par électroérosion ou étincelage numérique à fil, et dont les dimensions et la forme sont adaptées à l'agencement recherché. Elle comprend-en outre, à sa périphérie, une fente 70, par exemple d'une largeur de 100 microns environ, qui est traversée par une vis micrométrique 72.

Par élargissement de la fente 70 au moyen de la vis micrométrique 72, on obtient une augmentation du périmètre encerclé par la virole 20, ce qui permet d'y introduire les différentes fibres optiques. Ces dernières sont ensuite encollées, puis la fente 70 est reserrée au moyen de la vis micrométrique 72 et la virole est bloquée en position de rétreint.

On réalise ensuite un polissage collectif de l'ensemble optique ainsi obtenu.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Dispositif opto-électronique pour la détermination de la distance et de la forme d'un objet, comprenant des sources de lumière (10) émettant chacune des faisceaux lumineux en direction de l'objet (-24), des moyens (38, 12) d'activation séquentielle des sources de lumière (10), un récepteur (28) recevant sur sa surface un faisceau lumineux (34) réfléchi ou diffusé par l'objet (24), des moyens (36, 38) de détermination de la position du point d'impact I de ce faisceau sur la surface du récepteur (28), et des moyens (38) de calcul par triangulation de la distance de l'objet (24), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (18) associés aux sources de lumière (10) pour transformer les faisceaux lumineux qu'elles émettent en faisceaux (22) voisins les uns des autres et qui sont parallèles ou divergents, l'axe optique (32) du récepteur (28) étant orienté en oblique sur l'axe optique de l'ensemble des faisceaux lumineux cylindriques voisins (22).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faisceaux (22) sont sensiblement cylindriques et parallèles, ou à divergence faible les uns par rapport aux autres.

3. Dispositif selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce que les moyens (18) précités comprennent un faisceau de fibres optiques, dont les extrémités d'entrée sont associées chacune à une source de lumière (10) et dont les extrémités de sortie sont rassemblées selon une disposition prédéterminée, par exemple matricielle en rangées et colonnes.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une optique de focalisation (26), agissant sur la cylindricité de chaque faisceau et sur la divergence de l'ensemble des faisceaux lumineux cylindriques (22), est associée aux extrémités de sortie des fibres optiques (18).

5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sources de lumière (10) sont des diodes électroluminescentes.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les diodes électroluminescentes sont des diodes laser (10).

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un moyen optique de focalisation (14), tel qu'un tronçon de fibre optique à gradient d'indice, est interposé entre chaque diode laser (10) et l'extrémité d'entrée de la fibre optique (18) correspondante.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen optique de focalisation (14) est fixé, par exemple par collage, sur la diode laser correspondante (10) et est relié à l'extrémité de la fibre optique (18) correspondante par un connecteur réglable (16).

9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le récepteur précité est un capteur photosensible analogique (28), tel par exemple qu'une diode PIN.

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le capteur (28) est du type monodimensionnel.

11. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que la puissance d'émission des diodes laser (10) est asservie à l'intensité d'un signal de sortie du capteur (28), pour éviter la saturation de ce capteur.

12. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les extrémités de sortie des fibres optiques (18) sont maintenues assemblées entre elles par une virole (20), dont la périphérie présente une fente (70) traversée par une vis micrométrique (72) permettant son expansion pour le montage et l'assemblage des extrémités des fibres, et son reserrement pour le maintien des fibres dans une configuration déterminée.

13 . Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est associé à un élément mobile, par exemple l'organe terminal d'un robot, pour son guidage vers un objet par commande en boucle fermée.

14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les extrémités de sortie des fibres optiques (18), le récepteur (28) et leurs moyens optiques de focalisation (26, 30) sont montés sur cet élément mobile, tandis que les sources de lumière (10), leur circuit de commande et d'alimentation (12) et les moyens de calcul (38) sont disposés en des points fixes.