LA CAPACITÉ DES LIDARS À CRÉER RAPIDEMENT DES CARTES EN RELIEF TRÈS PRÉCISES CONTRIBUE À L'AMÉLIORATION DES USINES INTELLIGENTES EN PERMETTANT AUX ROBOTS DE TRAVAILLER AUX CÔTÉS DE COLLÈGUES HUMAINS. CELA S'AVÈRE PARTICULIÈREMENT UTILE POUR MAINTENIR LA QUALITÉ ET LES CAPACITÉS DE PRODUCTION DURANT LA PANDÉMIE.

L'IoT industriel (IIoT), souvent appelé « industrie 4.0 », vise à accroître la productivité des usines. Par conséquent, il s'appuie largement sur l'automatisation et les systèmes intelligents susceptibles d'appréhender leur environnement et de réagir en fonction de celui-ci. Au cœur de tout cela se trouve une myriade de dispositifs de détection qui convertissent des phénomènes physiques en signaux électriques pouvant être traités, stockés et exploités. Si de nombreux capteurs simples restent très précieux, la sophistication des capteurs augmente néanmoins à mesure que les fabricants cherchent à augmenter encore la productivité.

Dans le domaine de l'IIoT, le lidar est l'une des technologies de détection les plus sophistiquées. Il délivre des données que ne peut fournir aucun autre type de capteurs, et permet donc d'améliorer encore la productivité.

INDUSTRIE 4.0 ET IIoT

Edel Cashman (ON Semiconductor) Edel Cashman est responsable applications pour les capteurs automobiles d'ON  Semiconductor. Spécialisée en conception de composants analogiques et biophotoniques, et notamment en photomultiplicateurs silicium, elle a rejoint SensL en 2015, une société rachetée par ON Semi en 2018.

Le secteur industriel est l'un des secteurs les plus importants de toute économie, puisqu'il est un moteur essentiel de la croissance et de l'emploi. Le cœur du secteur industriel est la fabrication, c'est-à-dire le processus de transformation des matériaux en produits, ce qui augmente la valeur et crée de la richesse. Le terme « industrie 4.0 » a été inventé en 2011 par un collectif d'entreprises, de politiques et d'universitaires allemands pour décrire une initiative visant à renforcer la compétitivité de l'industrie manufacturière allemande (déjà très compétitive). Le terme est extrêmement courant en Allemagne et il est souvent utilisé de manière interchangeable avec « usines intelligentes » dans d'autres pays.

La robotique est l'un des piliers de l'industrie 4.0 et le nombre de robots multifonctions déployés dans les usines augmente rapidement. Si, à l'origine, de nombreux robots étaient destinés à remplacer les travailleurs humains en fonctionnant derrière des barrières, des études récentes ont montré que la collaboration entre l'homme et le robot est de loin l'approche la plus productive. Dans ce contexte, l'homme et le robot jouent chacun sur leurs points forts, les robots se concentrant sur les actions physiques répétitives et les hommes accomplissant les tâches les plus abstraites. Pendant la pandémie de Covid19, cette approche a permis d'augmenter la capacité des usines tout en respectant la distanciation physique, et sans qu'il soit nécessaire de revoir l'agencement des usines. Cependant, pour que les humains et les robots puissent travailler côte à côte, ils doivent pouvoir le faire en toute sécurité, ce qui signifie que le robot doit être conscient de la présence de l'homme et de ses mouvements.

TYPES DE LIDARS UTILISÉS AUJOURD'HUI

Lidar signifie light detection and ranging (détection et localisation par la lumière). Il s'agit d'une technologie de détection spatiale qui fonctionne de manière très similaire au radar (radio detection and ranging), en utilisant la lumière plutôt que les ondes radio comme support de détection. Le lidar permet une détection en relief performante grâce à sa résolution élevée en profondeur et en angulaire. En outre, il peut fonctionner dans toutes les conditions de lumière grâce à une approche active qui fait appel à un émetteur de lumière infrarouge (IR) associé à un récepteur.

Le principe du lidar est très simple. Il s'agit d'un système de mesure de temps de vol (ToF) qui mesure le temps nécessaire à la lumière pour atteindre la cible et revenir. La vitesse de la lumière étant une constante connue, il est facile de calculer la distance entre l'émetteur-détecteur et la cible réfléchissante. Si les principes de base restent les mêmes, il existe deux grands types de lidar en service : direct et indirect.

Le lidar ToF direct (dToF) utilise une ou plusieurs impulsions de lumière distinctes qu'il « tire » sur une cible, puis il mesure le temps nécessaire pour recevoir l'impulsion d'écho. Le lidar ToF indirect (iToF) utilise une onde lumineuse continue et ne mesure pas directement le temps écoulé (ToF), mais le détermine à partir du déphasage entre les ondes émises et reçues.

L'iToF est le plus couramment utilisé et il est généralement mieux adapté aux applications de détection de relief à courte portée, en particulier dans le cas d'applications en intérieur, où les conditions de lumière sont plus favorables (par rapport à l'extérieur où la luminosité peut fluctuer de manière importante). Le dToF est plus adapté aux applications à longue portée. Il fonctionne plus vite et peut mesurer plusieurs échos, ce qui lui permet de détecter plusieurs objets.

Un certain nombre de facteurs influencent les performances, notamment la qualité des composants optiques et la puissance lumineuse, ainsi que le rapport signal/bruit de l'impulsion ou du signal reçu. Grâce à l'utilisation de photomultiplicateurs silicium (SiPM) modernes, on peut détecter des photons isolés, ce qui confère aux systèmes lidar une sensibilité incroyable. Même s'il peut sembler évident qu'il suffit d'augmenter la puissance pour améliorer la portée et les performances, la lumière laser peut être dangereuse pour l'homme. C'est pourquoi des normes telles que BS EN  60825-1 : 2014 précisent la puissance qui peut être émise par un laser, et classifient ces équipements en fonction de leur puissance.

LES LIDARS DANS LE CADRE DE L'IIoT

En tant que système de détection sans contact, le lidar offre de nombreuses applications dans le domaine industriel. L'agriculture utilise le lidar pour l'arpentage des champs afin de créer des cartes et de surveiller l'état des cultures, ce qui permet aux agriculteurs de modéliser et de prévoir les rendements, et d'évaluer la performance des engrais. Il peut aussi servir à détecter les niveaux dans les silos et les réservoirs, sans nécessiter aucun contact avec le contenu. Les groupes de défense de l'environnement utilisent le lidar pour surveiller la déforestation, détecter l'érosion côtière, surveiller le mouvement des dunes et suivre le recul des glaciers. Dans toutes ces applications en extérieur, il est possible de créer presque instantanément des cartes en 3D exploitables avec un haut niveau de précision, ce qui prendrait des jours avec les techniques d'arpentage traditionnelles. Par ailleurs, coupler le lidar à l'utilisation de drones permet de réaliser facilement l'arpentage dans les zones éloignées ou inaccessibles.

Dans le domaine industriel, le lidar sert à effectuer des relevés rapides sur de grands projets de construction, comme des zones industrielles, des chemins de fer ou des autoroutes. Là encore, les avantages sont la rapidité et la précision. Le lidar possède également un certain nombre d'applications liées à la sûreté et à la sécurité, notamment la protection des zones dangereuses contre les incursions. Il peut s'agir de zones où des équipements lourds sont utilisés, où des substances dangereuses sont présentes ou encore d'applications dans les transports (comme sur les terrains d'aviation ou à proximité des passages à niveau). La capacité du lidar à fonctionner correctement dans toutes les conditions d'éclairage signifie qu'il est capable d'assurer une protection fiable et permanente dans le cadre de ce type d'applications.

INTÉRÊT DES DÉTECTEURS SiPM

Cette plateforme de développement lidar comprend une source d'éclairage laser en infrarouge proche et un détecteur à photomultiplicateurs silicium (SiPM).

Dans les usines, le lidar peut servir à guider les véhicules à guidage automatique qui transportent les matières premières vers les postes de travail, déplacent les sous-ensembles et acheminent les produits finis vers l'entrepôt. Le lidar est très efficace dans les usines intelligentes lorsqu'il est utilisé avec des robots. Il permet de les guider dans l'exécution de tâches de précision et de les sensibiliser à la présence d'êtres humains à proximité, ce qui leur permet de travailler de manière sûre et prévenante. L'un des composants les plus importants de tout système lidar est l'élément de détection, qui capture et quantifie la lumière laser réfléchie. Si plusieurs technologies peuvent servir à cela, les SiPM offrent généralement les meilleures performances, essentiellement grâce à leur capacité à détecter des photons isolés et à leur gain élevé.

À titre d'exemple, la série RB d'ON Semiconductor offre une grande sensi-bilité, une réponse rapide et un faible coefficient de température. Il existe trois types, conditionnés en boîtier miniature (1,5 x 1,8 mm), qui se distinguent les uns des autres par la taille de leurs microcel-lules (10, 20 ou 35 µm). Chaque dispositif présente une zone de détection active de 1 x 1 mm, et les microcellules les plus grandes offrent un gain plus élevé, jusqu'à 1,7 x 106. ON Semiconductor propose également une plateforme de développement lidar dToF. Bien que les principes du lidar soient très simples, le développement d'une solution intégrée complète peut s'avérer ardu, en particulier pour ceux qui ne connaissent pas bien la technologie, ou lorsque les délais sont serrés. La plateforme intègre une source d'éclairage laser infrarouge proche (NIR) et un détecteur SiPM. Tous les composants optiques nécessaires sont inclus, ainsi qu'une gestion d'énergie avancée. Cette plateforme plug-and-play a une portée de 0,1 à 23 m et utilise un laser de classe 1, qui assure une sûreté oculaire intrinsèque et le respect des normes en vigueur. Une interface utilisateur graphique (GUI) est incluse, qui permet aux ingénieurs d'ajuster les paramètres et de visualiser les résultats pendant la phase de développement. •