FR2712704A1 - Dispositif du type radar optique notamment pour véhicule automobile. - Google Patents

Abstract

Dispositif du type radar optique, comportant une source (1) pour l'émission d'un faisceau de lumière cohérente, des moyens (2) pour diriger le faisceau émis de façon à ce qu'il réalise un balayage de l'espace observé, ainsi que des moyens pour recevoir la lumière cohérente réfléchie par un obstacle et la traiter de façon à déterminer la distance entre cet obstacle et le dispositif, les moyens de balayage (2) comportant un élément de réflexion (S) entraîné en rotation autour d'un axe fixe par rapport à la source d'émission. Cet élément de réflexion présente une pluralité de surfaces réfléchissantes (4) qui sont réparties sur ledit élément (S) annulairement, autour de l'axe de rotation (A), et sur lesquelles la source d'émission envoie le faisceau émis, ces surfaces (4) étant orientées sur ledit élément (S) de façon à réaliser ensemble un balayage complet en deux dimensions de l'espace observé.

Description

La présente invention est relative à un dispositif du type radar optique.

Elle trouve une application avantageuse dans le domaine des véhicules automobiles, pour la détection d'obstacles se présentant sur le trajet d'un véhicule.

Un radar laser (ou lidar) comporte classiquement des moyens d'émission et de réception, ainsi qu'une optique de balayage permettant de diriger le faisceau laser émis de façon à balayer un espace à observer.

Les moyens de réception déterminent à tout instant, à partir de l'observation du faisceau réfléchi, la distance qui sépare le radar du premier obstacle rencontré par le faisceau qu'il émet.

Pour obtenir une image en trois dimensions de l'espace observé par le radar, l'optique de balayage doit permettre d'orienter le faisceau laser en le faisant pivoter autour de deux axes.

Classiquement, les optiques de balayage comportent à cet effet un ou plusieurs miroirs pivotant mécaniquement autour d'un axe vertical et d'un axe horizontal.

Dans une optique à deux miroirs, l'un des miroirs est commandé par un moteur pas à pas. Dans chacune de ses positions successives, il fixe la déviation du faisceau par rapport à l'un des deux axes de balayage, tandis que le deuxième miroir effectue un balayage angulaire autour du deuxième axe. Lorsque le deuxième miroir arrive en fin de course, la position du premier miroir est modifiée d'un pas, puis le second miroir tourne d'un angle opposé à celui dont il a tourné précédemment.

Pour assurer les mouvements de rotation autour de chacun des deux axes, on utilise habituellement, des réalisations mécaniques du type de celles qui équipent les galvanomètres. Ces réalisations sont complexes et volumineuses. Elles nécessitent des montages très soignés.

La présente invention a pour but principal de pallier ces inconvénients.

I1 a déjà été proposé par la demande de brevet européen EP-494-027 un dispositif de détection d'obstacles du type radar laser dans lequel le balayage en site et en azimut est obtenu par la rotation continue d'un miroir autour d'un axe unique vertical. Ce miroir est un miroir à double face. I1 est incliné d'un angle Q fixe par rapport à son axe vertical de rotation. Une source laser dirige sur ce miroir un faisceau horizontal.

Selon la position angulaire du miroir dans sa rotation autour de l'axe vertical précité, le faisceau laser se réfléchit sur l'une ou l'autre des faces dudit miroir et est par conséquent envoyé en sortie du radar avec respectivement une inclinaison +a ou -a par rapport à l'horizontale. Au cours d'un tour complet du miroir, le radar laser réalise successivement deux balayages azimutaux, l'un sur une ligne de site correspondant à des directions passant par le radar et inclinées de + a par rapport à l'horizontale, l'autre sur une ligne de site correspondant à des directions passant par le radar et inclines de -a par rapport à l'horizontale.

Comme on l'aura noté, un tel dispositif de détection ne balaie que deux bandes parallèles de l'espace observé et ne permet pas d'en réaliser un balayage bidimensionnel complet. En particulier, un tel dispositif ne peut être utilisé pour réaliser un relevé d'images tridimensionnelles.

L'invention propose quant à elle un dispositif du type radar optique, comportant une source pour l'émission d'un faisceau de lumière cohérente, des moyens pour diriger le faisceau émis de façon à ce qu'il réalise un balayage de l'espace observé, ainsi que des moyens pour recevoir la lumière cohérente réfléchie par un obstacle et la traiter de façon à déterminer la distance entre cet obstacle et le dispositif, les moyens de balayage comportant un élément de réflexion entraîné en rotation autour d'un axe fixe par rapport à la source d'émission, cet élément de réflexion présentant au moins deux surfaces réfléchissantes se plaçant successivement sur la trajectoire du faisceau émis lors du mouvement de rotation dudit élément de réflexion, ces deux surfaces réfléchissantes, étant d'orientations différentes par rapport à l'axe de rotation et renvoyant chacune le faisceau émis de façon à balayer une zone particulière de l'espace observé, caractérisé en ce que l'élément de réflexion présente une pluralité de surfaces réfléchissantes qui sont réparties sur ledit élément annulairement, autour de l'axe de rotation, et sur lesquelles la source d'émission envoie le faisceau émis, ces surfaces étant orientées sur ledit élément de façon à réaliser ensemble un balayage complet en deux dimensions de l'espace observé.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit de modes de réalisation particuliers de l'invention. Cette description est illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels
la figure 1 illustre schématiquement en vue en perspective un dispositif de détection selon l'invention
. la figure 2 représente une géométrie de surface de réflexion possible pour les moyens de balayage du dispositif de détection de la figure 1
. la figure 3 est une représentation géométrique des paramètres intervenant dans le balayage que réalise la surface de réflexion du dispositif de la figure 1
la figure 4 représente le lieu des points du plan T de la figure 3 qui sont balayés par le dispositif de la figure i
la figure 5 est une représentation schématique d'un moyen de synchronisation possible pour le dispositif de la figure 1
. la figure 6 est une représentation d'une bascule de type D permettant de réaliser la séquence de fonctionnement de la figure 7
. la figure 7 illustre schématiquement une séquence de fonctionnement des moyens de synchronisation de la figure 5
. la figure 8 illustre schématiquement une variante possible pour les moyens de synchronisation du dispositif de la figure 1
. la figure 9 est une représentation par schema- blocs des moyens électroniques associés aux moyens illustrés sur la figure 8.

Le dispositif de détection illustré sur la figure 1, comporte, montés sur un bâti (non représenté): - des moyens, qui ont été référencés par 1 dans leur
ensemble, qui constituent la source d'émission d'un
faisceau laser, - des moyens 2 grâce auxquels ledit dispositif réalise un
balayage en site et en azimut de l'espace qu'il
observe.

Les moyens 1 d'émission sont en eux-mêmes connus de l'Homme du Métier. Ils comportent notamment une diode d'émission laser et des moyens électro-optiques pour la modulation du faisceau laser émis. Ces moyens 1 sont fixes par rapport au bâti du dispositif.

Le dispositif comporte également des moyens pour la réception et le traitement d'une portion de faisceau réfléchi par un obstacle. Ces moyens sont classiques et n'ont pas été représentés sur la figure 1. Ils comprennent, en particulier, une optique de focalisation, au moins un filtre passe-bande autour de la longueur d'onde du laser, des moyens de démodulation, une photodiode de détection ainsi que des moyens de calcul pour déterminer, à partir du signal en sortie de la photodiode, la distance qui sépare le dispositif et l'obstacle.

Les moyens 2 de balayage comportent principalement une surface S de réflexion entrainée selon une rotation continue autour d'un axe A du bâti par des moyens moteurs 3. Cette surface S est une bande annulaire centrée sur l'axe A. Elle présente, ainsi qu'on l'a illustré sur la figure 2, une pluralité de facettes de réflexion 4.

Cette bande annulaire se trouve sur le trajet du faisceau laser émis par les moyens 1. Lors d'une rotation complète de cette surface S autour de l'axe A, le faisceau laser émis est successivement réfléchi par les différentes facettes 4 de la surface S. Chaque facette 4 a une orientation qui lui est propre et réfléchit le faisceau émis de façon à balayer une ligne particulière de l'espace à observer. Ces différentes facettes 4 sont en particulier orientées de façon à réaliser ensemble un balayage complet en deux dimensions de l'espace observé.

De nombreuses géométries conviennent pour la surface S. La géométrie particulière représentée sur la figure 2 correspond à celle d'un mode de réalisation avantageux. Elle est définie par l'équation:
Z =f (r,O) = r (a E (k0/2U) + b) * frac (kO/2n) où, a, b et k sont des paramètres numériques de la surface
S et où Z et (r, O) sont les coordonnées axiale et polaires des projections d'un point M de la surface S respectivement sur l'axe A (axe OZ) et sur un plan O,X,Y perpendiculaire à cet axe A et où "E" et "frac" désignent les fonctions numériques partie entière et partie fractionnaire.

Ces coordonnées et ces axes O,X,Y ont été représentés sur la figure 3. On a également porté sur cette figure 3 - la trajectoire F du faisceau laser émis par les moyens
1, - l'ordonnée ZO du point s de l'axe A, où la trajectoire F
coupe ledit axe A, - l'angle + entre l'axe A et cette trajectoire F, - un plan T parallèle au plan O,X,Y et décalé d'une
ordonnée ZT par rapport à celui-ci.

Sur la figure 4, on a représenté le lieu des points I balayés dans le plan T par le faisceau laser après réflexion sur la surface S. La surface S a été ici paramètres avec a=0,05, b=0,1 et k=8. L'angle et les ordonnées Z0 et ZT sont respectivement choisis égaux à 5 , 1 et 2 ( Z0 et ZT étant donnés en unités de longueur).

Les coordonnées de ces points I répondent dans ce plan T à l'équation paramétrée: x = rp (1 + A (l-q a f/ a r))
Y = - A q d f/ a e, où A = ZT - f {rp H)
rp (q(#) - cotg +) rp étant une fonction de *,Zo et O et étant donné par tg# = rp
Zo - f(rp,8)
D'autres géométries sont bien entendu possibles pour la surface S.

Egalement, la source que constituent les moyens 1 peut être disposée en d'autres points que sur l'axe A.

Le dispositif selon l'invention comporte des moyens référencés par 4 sur la figure 1, pour la détermination à tout moment de la position angulaire de la surface S.

Ces moyens 4 comportent plus particulièrement une piste optique P annulaire, centrée sur l'axe A, ainsi qu'une diode laser 5 et une cellule photo-électrique 6. La piste optique P contient des informations sur la position angulaire de la surface S. Le faisceau laser émis par la diode 5 se réfléchit sur la piste optique P et est renvoyé sur la cellule photo-électrique 6, qui lit les informations de positions angulaires contenues par la piste P. Ces informations sont transmises aux moyens de calcul des moyens de calcul des moyens de réception et de traitement. Ceux-ci restituent sur un écran, à partir de ces informations, ainsi que des paramètres de la surface S et des distances qu'ils ont déterminées, une image tridimensionnelle de l'espace observé.

Conformément à un aspect de l'invention, un tel écran est avantageusement embarqué dans un véhicule, avec l'ensemble du dispositif de détection qui vient d'être décrit.

Bien entendu, l'image relevée peut ne pas être restituée sur un écran. Elle fait alors, par exemple, l'objet d'une analyse par un module de traitement.

Dans une variante avantageuse illustrée sur la figure 5, la surface S est associée à deux pistes optiques, référencées respectivement par P1 et P2. La piste P2 est celle qui porte les informations relatives à la position angulaire de la surface S. La piste P1 porte des bits de synchronisation. Ces deux pistes sont éclairées par une même diode laser 5, leurs informations étant lues respectivement par deux cellules photoélectriques distinctes référencées par C1 et C2.

Cette structure permet la lecture de la piste P1 à n'importe quelle vitesse de rotation de la surface S.

Cette acquisition est, par exemple, réalisée par une bascule bistable de type D. Une bascule B de ce type a été représentée sur la figure 6. Elle reçoit en entrée des signaux S1 et S2 que lui transmettent respectivement les cellules photo-électriques C1 et C2, et fournit en sortie un signal binaire S3 qui correspond à la validation du signal S2 (signal de positionnement angulaire) à chaque montée du signal S1 (signal de synchronisation).

Un exemple de signaux S1, S2 et S3 a été illustré sur la figure 7.

Une variante avantageuse de dispositif de lecture a encore été représentée schématiquement sur la figure 8.

Ce dispositif comporte trois pistes de lecture référencées de P11 à P13 et trois cellules photo-électriques référencées de Cîl à C13. Les pistes Pîl à P13 sont éclairées par une source lumineuse (non représentée) disposée du côté de ces pistes Pîl à P13 opposé aux cellules C11 à C13.

La piste P11 est constituée de deux évidements 7 et 8 diamétralement opposés et s'étendant chacun sur un quart de cercle. Entre ces évidements 7 et 8 s'étendent des parties pleines en quarts de cercle.

La piste P12 est constituée d'un évidement 9 s'étendant sur un demi-cercle et d'une partie pleine en demi-cercle complémentaire. Cet évidement 9 s'étend angulairement à partir d'une extrémité de l'évidement 7 pour moitié sur le secteur angulaire dudit évidement 7, et, pour moitié sur un secteur angulaire entre l'évidement 7 et l'évidement 8. Ainsi, les pistes Pli et P12 définissent ensemble quatre secteurs angulaires s'étendant chacun sur un quart de cercle : le premier occupé par l'évidement 8 seul, le second occupé par l'évidement 9 seul, le troisième dans lequel l'évidement 7 et l'évidement 9 sont juxtaposes, le quatrième étant un secteur plein, sans évidement.

La piste P13 porte une succession d'évidements 10 circulaires de petits diamètres régulièrement répartis sur son pourtour.

Ainsi, les pistes P11 et P12 et les cellules Cîl et C12 qui leur correspondent fournissent des bits de poids fort qui permettent de déterminer la position angulaire de la surface de réflexion 5 à un quart de cercle près. La position absolue de cette surface est connue grâce au décompte des impulsions issues de la cellule C13 à partir de chaque changement sur les bits de poids. Au démarrage, la position angulaire de la surface S est connue au maximum au bout d'un quart de tour.

Un exemple de circuit permettant de réaliser un décompte de ce type a été représenté sur la figure 9.

Un compteur 13 des impulsions issues de la cellule
C13 (signal S13) est remis à zéro par les impulsions que lui envoient des monostables 11 et 12 déclenchés aux fronts montants et descendants. Ces monostables 11 et 12 reçoivent en entrée les signaux S11 et S12 issus des cellules C11 et C12. Le signal S14 en sortie de ce circuit est un signal somme des signaux S11 et S12 et du décompte réalisé par le compteur 13.

Ainsi qu'on l'aura noté, les dispositifs radars optiques qui viennent d'être décrits présentent de nombreux avantages. En particulier : - ils substituent aux deux mouvements de va et vient des
dispositifs de balayage classiques à deux miroirs, un
simple mouvement de rotation plus facile à réaliser
avec une grande fiabilité ; - les moyens pour la détermination de la position
angulaire de l'élément réflexion qu'ils présentent
peuvent être réalisés avec des composants de grande
diffusion, donc peu coûteux - la connaissance précise de la position angulaire de
l'élément de réflexion, et donc de la direction du
faisceau émis, permet d'accepter un mouvement de
rotation dudit élément de réflexion peu uniforme (voire
non régule), limage de l'espace observé pouvant
toujours être reconstituée facilement par les moyens de
calcul - dans une autre approche, cette connaissance précise
peut également être utilisée pour réguler le mouvement
de rotation de l'élément de réflexion.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif du type radar optique, comportant une source (1) pour l'émission d'un faisceau de lumière cohérente, des moyens (2) pour diriger le faisceau émis de façon à ce qu'il réalise un balayage de l'espace observé, ainsi que des moyens pour recevoir la lumière cohérente réfléchie par un obstacle et la traiter de façon à déterminer la distance entre cet obstacle et le dispositif, les moyens de balayage (2) comportant un élément de réflexion (S) entraîné en rotation autour d'un axe fixe par rapport à la source d'émission, cet élément de réflexion présentant au moins deux surfaces réfléchissantes se plaçant successivement sur la trajectoire du faisceau émis lors du mouvement de rotation dudit élément de réflexion, ces deux surfaces réfléchissantes, étant d'orientations différentes par rapport à l'axe de rotation et renvoyant chacune le faisceau émis de façon à balayer une zone particulière de l'espace observé, caractérisé en ce que l'élément de réflexion (S) présente une pluralité de surfaces réfléchissantes (4) qui sont réparties sur ledit élément (S) annulairement, autour de l'axe de rotation (A), et sur lesquelles la source démission envoie le faisceau émis, ces surfaces (4) étant orientées sur ledit élément (S) de façon à réaliser ensemble un balayage complet en deux dimensions de l'espace observé.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rotation de l'élément de réflexion est une rotation continue.

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces réfléchissantes (4) sont différentes facettes d'une surface (S) d'équation

Z f (r,O) = r frac (kO/2n)*(a E (k0/2n) + b) où, a, b et k sont des paramètres numériques; où Z et (r, O) sont les coordonnées respectivement axiale et polaires des projections d'un point de cette surface respectivement sur un axe OZ confondu avec l'axe de rotation de l'élément de réflexion et sur un plan O,X,Y perpendiculaire à cet axe de rotation et où "E" et "frac" désignent les fonctions numériques partie entière et partie fractionnaire.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (4) pour déterminer la position angulaire de l'élément de réflexion dans son mouvement autour de son axe.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens pour la détermination de la position angulaire de l'élément de réflexion comportent au moins une piste annulaire optique principale (P) qui est portée par l'élément de réflexion (S) et qui est centrée sur l'axe de rotation (A) dudit élément, cette piste optique (P) portant des informations binaires optiques relatives à la position angulaire de l'élément de réflexion, les moyens pour la détermination de la position angulaire de l'élément de réflexion comportant également au moins une source lumineuse (5) et une cellule photoélectrique (6) devant lesquelles la piste optique (P) défile et qui sont destinées à lire les informations portées par celle-ci.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que pour permettre la lecture de la piste optique principale (P2) indépendamment de la vitesse de rotation de l'élément de réflexion (S), il comporte également, d'une part, une piste secondaire (P1) qui porte des bits optiques de synchronisation régulièrement répartis sur son pourtour, et, d'autre part, au moins une cellule photo-électrique (C1) qui émet des impulsions de synchronisation correspondant au passage des bits optiques à son niveau.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs pistes optiques principales (P11, P12) éclairées par au moins une source lumineuse et chacune lue par une cellule photo-électrique (C11, C12) qui lui est propre, ces pistes optiques principales (pli, P12) se présentant chacune comme une succession d'arcs angulaires (7, 8 ; 9) qui, les uns transmettent la lumière qu'ils reçoivent de la source lumineuse précitée à la cellule photo-électrique de leur piste optique, et, les autres arrêtent cette lumière, ces arcs angulaires étant disposés complémentairement sur les différentes pistes optiques de façon à définir ensemble sur l'élément de réflexion plusieurs secteurs angulaires, le dispositif comportant également, d'une part, des moyens pour déterminer, à partir des signaux émis par les cellules photo-électriques (Cll, C12) des différentes pistes optiques, la position angulaire, à un secteur angulaire près, de l'élément de réflexion par rapport aux cellules photo-électriques et, d'autre part, des moyens pour décompter les impulsions de synchronisation émises par la cellule photo-électrique (C13) de la piste secondaire (P13), à partir de chaque passage d'un nouveau secteur angulaire devant les cellules photo-électriques des pistes principales, ce décompte permettant de connaître la position angulaire précise de l'élément de réflexion.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte deux pistes optiques principales (pli, P12), dont les arcs angulaires (7, 8 9) qui transmettent ou arrêtent la lumière de la source lumineuse définissent ensemble sur l'élément de réflexion, quatre secteurs angulaires s'étendant chacun sur un quart de tour.

9. Dispositif selon l'une des revendications 3 et suivantes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'affichage sur lesquels les moyens de traitement restituent, en fonction d'informations que lui transmettent les moyens pour la détermination de la position angulaire de l'élément de réflexion, une image tridimensionnelle de l'espace observé.

10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est embarqué sur un véhicule automobile.