Approche générique

Le dispositif présenté dans ce chapitre mesure la position dite "locale" de la cible. Il s’agit d’un système composé d’éléments uniquement statiques et utilisant plusieurs faisceaux lasers collimatés éclairant la cible. La quantité de lumière réfléchie est mesurée à l’aide d’un photo-détecteur unitaire (figure 3.10).

Figure 3.10 – Description de la tête optique

Le principe de fonctionnement repose sur la commutation successive et exclusive des sources lasers à destination de la zone où se situe la cible. Pour chaque diode émettant de la lumière, le contrôleur électronique enregistre la quantité de lumière générée par le photo-détecteur. De cette manière, une scrutation est réalisée selon la forme géométrique décrite par le positionnement du réseau de sources laser. Ce dispositif peut donc être assimilé à un scanner sans pièce mécanique en mouvement.

Figure3.11 – Mesure de la position locale

θ3 définis dans le plan (03,⁻X^→3,⁻Z^→3). Ces valeurs représentées dans la figure 3.11 et l’expression littérale pour d₄ est donnée par 3.22 et pour θ₃ par l’équation 3.25.

d₄= Re· cos

α

2



+ (Rc(Iph) − σ(Iph) · Rl) · cos

β 2  (3.22) α = (nDLon− 1) · 2π nDL pour nDLon< nDL sinon α = 2π (3.23) β = sin−1  Re Rc(Iph)^{· cos} α 2  (3.24) θ₃ = ^β 2 ^{− β}DL1 (3.25) Zm= Rc(Iph) − Re± 2 · σ(Iph) · Rl (3.26) avec :

– α : l’ouverture angulaire entre la première et la dernière diode laser en collision avec la cible dans le référentiel empreinte laser (centre du cercle),

– β : l’ouverture angulaire entre la première et la dernière diode laser en collision avec la cible dans le référentiel cible (centre du cercle),

– Rc(Iph) : le rayon coopératif (limite de détection du capteur) de la cible, – Re : le rayon de l’empreinte laser,

– Rl : le rayon de la taille du point laser à mi-puissance,

– nDLon : le nombre de diodes lasers successives en collision avec la cible,

– α_DL1 : la position angulaire de la première diode laser en collision par rapport à l’origine angulaire du repère 03,

– Zm : la zone d’incertitude de position pour 100% de collision,

– σ(Iph) : Facteur compris entre 0 et 1 dépendant de la quantité Iph de photo-courant détectée.

Les dimensions précédemment décrites établissent les relations qui vont déterminer les spéci-fications du capteur en termes de plage de mesure, de résolution, de précision statique et de dynamique. Tout d’abord, la résolution est une fonction du nombre de sources lasers et de leurs dispositions géométriques. La figure 3.12 illustre un cas de figure où 8 diodes lasers sont uniformé-ment réparties sur un cercle de 35 mm de diamètre pour un rayon coopératif de la cible de 35 mm également. Cette première figure permet de mettre en évidence la notion de plage de mesure et de "pas" de résolution non linéaire.

Afin de bien illustrer l’impact du nombre de diodes sur cette résolution, la figure 3.13 donne un exemple pour l’usage de 16 diodes dans les mêmes conditions que précédemment. La plage de

−60 −40 −20 0 20 40 60 −60 −40 −20 0 20 40 60

Position latérale réelle(mm)

Position latérale mesurée(mm)

Mesure référence Mesure du capteur Limites de la plage de mesure

Figure 3.12 – Mesure du capteur locale pour 8 diodes réparties sur un cercle

−60 −40 −20 0 20 40 60 −60 −40 −20 0 20 40 60

Position latérale réelle(mm)

Position latérale mesurée(mm) _{Mesure référence}

Mesure du capteur

mesure n’a pas changée. En revanche, le nombre de pas est deux fois plus élevé tout en conservant le caractère non-linéaire de cette discrétisation.

Un autre critère fondamental qu’il est important de mettre en évidence, est la zone morte iden-tifiée par Zmdans l’équation 3.26. Cette zone est due à l’écart entre le cercle décrivant l’empreinte laser ainsi que le cercle coopératif propre à la cible et constitue une incertitude de mesure. Ainsi dans la figure 3.14, la zone autour de la position 0 est connue à ±7.5 mm qui correspond aux 15 mm d’écart entre le cercle Rc(Iph) de 50 mm et le cercle Re de 35 mm qui ont fait l’objet de cette simulation. Cette zone est problématique car elle dégrade la précision de la mesure mais dépend également des conditions de photodétection qui sont variables en fonction de l’angle d’incidence du laser sur la cible ou encore la distance de cette dernière1.

−60 −40 −20 0 20 40 60 −60 −40 −20 0 20 40 60

Position latérale réelle(mm)

Position latérale mesurée(mm)

Mesure référence Mesure du capteur Zone morte

Figure 3.14 – Mesure du capteur local pour 16 diodes réparties sur un cercle + zone morte

Sur les trois figures présentées, le trait correspondant a la mesure du capteur à été volontairement grossi. Cette attention illustre l’influence des paramètres σ(I_ph) · R_l qui représente une source supplémentaire d’incertitude de mesure. En effet, plus le rayon de la source laser à mi-puissance Rlsera grand, plus il induira une incertitude de position. A cela s’ajoute le fait qu’en fonction des paramètres de réflectivité et de distance, le photo-détecteur aura besoin d’une interaction plus ou moins importante en terme de surface sur la cible avant de se déclencher.

En observant ces différentes spécifications, il peut se révéler intéressant d’adapter la puissance des sources lasers en fonction de la distance, de manière à obtenir un rayon coopératif Rc(Iph) le plus proche possible du rayon de l’empreinte laser Re, afin de réduire la zone morte Zm au minimum. Une autre approche pourrait consister à ne jamais se positionner en condition de zone morte pour des mesures statiques mais plutôt dans une zone du capteur offrant une meilleure précision. Un travail d’optimisation dans le positionnement des sources lasers représente désormais un axe de perspective qu’il devient intéressant d’étudier dans une étude future.

Concernant la résolution, il apparaît séduisant d’augmenter le nombre de sources lasers. Cette solution sera au détriment de la fréquence de mesure du dispositif qui ne dispose que d’un seul photo-détecteur et qui doit mesurer les interactions pour chacune des sources. Au delà du critère temporel, il persiste malgré tout la contrainte de l’encombrement. Cependant, les progrès réalisés en matière de fabrication de sources laser VCSEL en matrice et de réseau de microlentilles représentent un axe d’optimisation de l’encombrement et des coûts bien plus avantageux que d’effectuer un assemblage complexe de plusieurs modules lasers indépendants.