FR3097061A1 - Lidar - Google Patents

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Matthias Baier
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Abstract

TITRE : : Lidar Lidar (100) comprenant un boîtier (10), et un premier élément optique (20) en verre et pratiquement plat installé dans une paroi latérale du boîtier (10). Figure 1

Description

Lidar
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention se rapporte à un lidar ainsi qu’à un procédé de réalisation d’un tel lidar.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les capteurs lidar ou plus simplement les lidars sont envisagés s’imposant dans les prochaines années pour la réalisation de la fonction de conduite très automatisée sur les autoroutes et dans l’environnement urbain. Une propriété importante de ces capteurs est celle des performances prévisibles que l’on obtient que si la fenêtre optique vers l’environnement est pratiquement dégagée des saletés et/ou des éléments qui l’encombrent.
La détection des saletés et/ou des éléments d’encombrement est en principe connue actuellement pour de nombreux capteurs et est appliquée en partie. Pour les capteurs lidar, les solutions disponibles ont toutefois des inconvénients graves. Habituellement, on utilise, par exemple, des buses de pulvérisation à une pression élevée pour tenter d’enlever les saletés ; le résultat du nettoyage n’est pas toujours à la hauteur et de plus la consommation d’eau est importante.
Pour de petits capteurs optiques, tels que, par exemple, des caméras, la lentille de sortie, qui est essuyée peut être en verre. Le verre répond aux exigences de tenue aux rayures et à l’essuyage. Pour des systèmes optiques importants tels que des projecteurs et des capteurs lidars, la plage essuyée est en une matière plastique transparente, par exemple, polycarbonate (PC), macrolon (marque déposée) polyméthyle méthacrylate (PMMA), etc.). Ces matières ne répondent pas et de loin aux exigences de tenue aux rayures et à la fiabilité pour le mode d’essuyage.
Le document DE 10 2016 123 637 A1 décrit un dispositif de désembuage et/ou de dégivrage d’une dispositif radar et/ou d’un dispositif de caméra et/ou d’un projecteur de véhicule ; ce dispositif est muni d’au moins un élément chauffant pour chauffer l’air comprimé et/ou au moins le canal d’air comprimé.
Le document DE 10 2015 210 465 A1 décrit un boîtier de radar, amélioré équipant un véhicule.
Le document DE 10 2012 015 260 A1 décrit un dispositif de désembuage et/ou de dégivrage d’un dispositif radar de véhicule.
Selon l’état de la technique, on connaît des installations de chauffage pour des éléments de surface transparents. Par exemple, le document DE 10 2012 017 264 A1 décrit un pare-brise muni d’un revêtement anti-dépôt et selon une variante, une couche chauffante est prévue dans l’intérieur du pare-brise.
En outre, selon le document DE 10 2011 122 345 A1 il est connu de chauffer le verre protecteur d’un lidar (également appelé façade ou verre de couverture). Ce document décrit un dispositif de balayage lidar biaxial dont le verre protecteur est partiellement chauffé. La fenêtre d’émission n’est toutefois pas chauffée alors que la fenêtre de réception est chauffée.
Les scanners ou dispositifs de balayage 3D opto-électroniques sont connus sous différentes variantes. Il s’agit de macro scanners rotatifs, de scanners à éléments MEMS, de lidars OPA, de lidars Flash. Tous ces systèmes ont en commun la collecte de la lumière laser émise. Il existe des systèmes optiques composés d’une ou plusieurs lentilles. Tous ces systèmes ont en commun d’avoir un chemin de réception optique long et un grand nombre de lentilles.
BUT DE L’INVENTION
La présente invention a pour but de développer un lidar perfectionné.
EXPOSE ET AVANTAGES DE L’INVENTION
A cet effet, l’invention a pour objet un lidar comprenant un boîtier et un premier élément optique installé dans une paroi latérale du boîtier, cet élément étant en verre et pratiquement plat.
On a ainsi un lidar dont la fenêtre optique tournée vers l’extérieur (fenêtre de sortie) est pratiquement plate et en verre qui peut se nettoyer très bien avec un dispositif de nettoyage usuel, par exemple, sous la forme d’un élément d’essuyage et d’une installation de projection. De manière avantageuse, le verre du premier élément optique résiste bien aux contraintes mécaniques, ce qui facilite une fréquence élevée de nettoyage.
Selon un autre développement, l’invention a pour objet un procédé de réalisation d’un lidar comprenant les étapes suivantes consistant à :
- disposer d’un boîtier, et
- installer un premier élément optique en verre, pratiquement plat dans le boîtier.
Suivant d’autres caractéristiques avantageuses, le lidar comprend un boîtier et un premier élément optique installé dans une paroi latérale du boîtier, cet élément étant en verre et pratiquement plat ; le premier élément optique a une faible courbure extérieure, définie, avec en outre un élément d’étanchéité entre le premier élément optique et le boîtier.
Selon un développement avantageux, le premier élément optique a une faible courbure extérieure, définie, qui permet de bien essuyer ce premier élément optique ce qui est très avantageux.
Selon un autre développement avantageux le lidar est caractérisé en ce qu’en outre un élément d’étanchéité ou joint est prévu entre le premier élément optique et le boîtier réalisant une bonne étanchéité entre le boîtier et le premier élément optique qui de plus est bien calé dans le boîtier tout en étant facilement remplaçable.
Selon un autre développement avantageux du lidar, l’élément d’étanchéité est fixé dans une rainure du premier élément optique ce qui améliore l’assise de la fixation du premier élément optique dans le boîtier. Par comparaison un tel accrochage n’est pas possible dans les lidars actuels qui ont un élément optique mince.
Selon un autre développement avantageux du lidar, l’élément d’étanchéité est en forme de lèvre en caoutchouc, ce qui permet une application simple et techniquement confirmée de l’élément d’étanchéité ou joint.
Selon un autre développement avantageux, le lidar a une installation de chauffage dans le premier élément optique, ce qui facilite le nettoyage ou l’évacuation de l’eau ou le dégivrage ou le désembuage du premier élément optique qui reste avantageusement en permanence pratiquement sec.
Selon une autre forme de réalisation avantageuse, le premier élément optique est à niveau avec l’élément d’étanchéité ou ne dépasse que légèrement de façon définie de cet élément d’étanchéité. Cela permet d’appliquer un procédé de raclage pour évacuer efficacement le liquide de nettoyage de l’arête du premier élément optique. En outre, cela facilite l’inversion de l’angle d’inclinaison du balai d’essuie-glace au cours d’un cycle d’essuyage.
Selon une autre forme de réalisation avantageuse le lidar, comporte un second élément optique dans le boîtier et qui est rotatif par rapport au premier élément optique réalisant ainsi le concept technique du "prisme variable" permettant d’avoir un dispositif de capteur lidar efficace.
Selon un autre développement avantageux du lidar, le rapport des rayons de courbure entre le premier élément optique et le second élément optique est de l’ordre de 2 :1 jusqu’à environ 5 :1. Les rayons de courbure efficaces combinés à des dimensions extérieures appropriées du lidar permettent d’installer facilement le lidar dans les véhicules automobiles.
La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l’aide d’exemples de lidar représentés dans les dessins annexés dans lesquels :
schéma de principe d’un premier mode de réalisation du lidar selon l’invention,
schéma de principe d’un autre mode de réalisation du dispositif lidar selon l’invention,
schéma de principe d’un détail du mode de réalisation du lidar de la , et
ordinogramme d’un procédé de réalisation d’un lidar selon l’invention.
L’idée de base de l’invention consiste à développer un lidar amélioré pour son nettoyage.
Les lidars actuels utilisent comme élément optique en général une matière synthétique, par exemple, de polycarbonate (PC) ou de polyméthyl-méthacrylate (PMMA, ou sous les marques Acrylglas, Plexiglas). Ces matières ont des inconvénients du point de vue de leur nettoyage, en particulier, ces matières ne peuvent être fortement sollicitées ni mécaniquement, ni chimiquement de sorte qu’au cours du temps, du fait des fréquentes opérations de nettoyage, ils perdent leur qualité optique poussée ce qui réduit l’efficacité du lidar de manière significative.
La est une vue de dessus d’un mode de réalisation du lidar 100. La figure montre un boîtier 10 dont une paroi latérale comporte un premier élément optique 20 orienté vers l’extérieur sous la forme d’une fenêtre d’entrée. Le premier élément optique 20 est fabriqué en un verre résistant aux rayures et à l’usure ; il est pratiquement plat du côté tourné vers l’extérieur ou légèrement courbe. De façon avantageuse, il est facile de développer un dispositif d’essuyage ou de lavage 32, 31 adapté à cette géométrie du premier élément optique 20.
La montre la variante avec un premier élément optique 20. La liaison entre le boîtier 10 et le premier élément optique 20 est faite de préférence avec un élément d’étanchéité 50. Le premier élément optique 20 est réalisé par rapport à l’élément d’étanchéité 50 pour être pratiquement à niveau avec celui-ci ou être légèrement en saillie par rapport à l’élément d’étanchéité 50. La variante de la comporte un premier élément optique 20 qui dépasse légèrement de l’élément d’étanchéité (ou joint) 50. L’élément d’étanchéité 50 facilite ainsi le simple remplacement du premier élément optique 20 ce qui permet de réparer, par exemple, avantageusement le lidar 100.
Du fait de la planéité du premier élément optique 20 et de sa réalisation en verre, il est avantageux de pouvoir le nettoyer efficacement et simplement, par exemple, avec un dispositif de nettoyage usuel d’un véhicule.
On reconnaît à cet effet un dispositif de nettoyage 30 servant à nettoyer le premier élément optique 20. Le dispositif de nettoyage 30 comporte au moins une installation d’essuyage 32 (telle qu’un balai d’essuie-glace) et une installation de lavage 31 (par exemple une buse reliée à un réservoir de liquide de lavage non représenté). La buse projette un liquide de lavage ou de nettoyage sur le premier élément optique 20 et on essuie ce premier élément optique 20 avec l’installation d’essuyage 32. Le faible dépassement en relief du premier élément optique 20 par rapport à l’élément d’étanchéité 50 permet de râcler complètement le liquide de lavage lors de l’essuyage du premier élément optique 20.
En outre, une installation de chauffage 33 sous la forme d’un fil chauffant 3 (non représenté) peut être prévu en option dans le premier élément optique 20. Cette installation de chauffage 33 permet de chauffer le premier élément optique 20 et de le dégager de cette manière d’un dépôt d’humidité ou de glace. L’installation de chauffage 33 du premier élément optique 20 peut être réalisé sous la forme d’un chauffage par résistance commandé électriquement. Cette installation est activée pour dégager le dépôt d’humidité ou le gel sur le côté extérieur du premier élément optique 20 par apport de calories et de rendre ainsi le premier élément optique 20 pratiquement transparent pour le lidar 100. L’utilisation ou l’efficacité du lidar 100 sera ainsi améliorée de manière significative.
Le dispositif de commande qui détecte l’humidité et/ou les saletés sur le côté extérieur du premier élément optique 20 et actionne ainsi le dispositif de nettoyage 30, n’est pas représenté.
Le verre du premier élément optique 20 est très solide vis-à-vis des températures élevées, de fortes variations de températures et des contraintes mécaniques liées aux différences de températures. En particulier, le verre présente un coefficient de conductibilité thermique élevé. Grâce à cette conductivité thermique élevée, les fils chauffants de l’installation de chauffage pourront être relativement minces. Des rubans chauffants ou du revêtement de surface épais ne sont pas nécessaires pour cette raison. Du fait de la résistance élevée à la température et aux contraintes mécaniques résultantes, les fils chauffants de l’installation de chauffage 33 peuvent fonctionner à une température très élevée, les intervalles entre les différents fils chauffants étant importants et les fils chauffants étant logés de manière étroite sous la surface du verre, dans la matière du premier élément optique 20. Cela augmente l’efficacité du chauffage ou améliore les propriétés optiques, par exemple, en projetant moins d’ombres des fils chauffants sur le chemin optique.
Le premier élément optique 20 est fixé dans le boîtier 10, de préférence à l’aide d’un élément d’étanchéité (joint) 50. Il est particulièrement avantageux que l’élément d’étanchéité 50 soit prévu sur le côté du verre optique 10, par exemple, sous la forme d’une lèvre en caoutchouc logée dans une rainure (non représentée) du premier élément optique 20. Cela permet avantageusement à l’installation de nettoyage 32 d’enlever les saletés et/ou le liquide de lavage et/ou l’eau de pluie, en dégageant latéralement par la surface supérieure du premier élément optique 20, en râclant pour être de cette manière évacué de façon ciblée.
Cela permet en outre à l’installation de nettoyage 32 de passer sur et au-delà du premier élément optique 20 et atteindre de cette manière son point d’inversion selon la direction d’appui de la lèvre d’essuyage ce qui augmente avantageusement la durée de vie de la lèvre d’essuyage. En plus, cela permet d’intégrer une optique de qualité dans le lidar 100, dans la carrosserie d’un véhicule (non représenté) car ainsi on réalise une surface uniforme et de qualité, permettant de reculer les parties de boîtier du lidar 100 et de les cacher avantageusement. Une meilleure intégration du lidar 100 sera ainsi facilitée avantageusement pour la surface du véhicule.
La est une vue de dessus d’un autre mode de réalisation d’un lidar 100 sous la forme d’un capteur lidar pour un véhicule. On reconnait qu’en plus du premier élément optique 20, on a un second élément optique 40 rotatif par rapport au premier élément optique 20 dans la direction de la flèche ; de cette manière il pourra diriger les rayons de la source de rayonnement 60 (par exemple un laser) en deux faisceaux 61, 62 vers l’extérieur dans l’environnement. Cela permet, par exemple, toujours lorsque la surface latérale du second élément optique 20 est tourné vers la surface de rayonnement 60, d’avoir une source de rayonnement 60 active, alors que si la surface arrondie du second élément optique 40 est tournée vers la source de rayonnement 60, celle-ci est coupée.
De cette manière, on applique un principe optique technique d’un "prisme variable" en deux parties ou d’une "optique à prisme adaptatif" ce que permet d’avoir un premier élément optique 20 géométriquement très fort dans sa réalisation et dans ses dimensions pour avoir ainsi un effort d’étanchéité mécanique élevé entre l’élément d’étanchéité 50 et le premier élément optique 20.
De cette manière on réalise un système de "temps de vol" avec un photoémetteur et un récepteur (non représenté) qui permet de dévier par le prisme variable en deux parties 20, 40, un rayon de l’environnement, qui est réfléchi par l’objet et passe en retour par le même chemin. La rotation du second élément optique 40 fait ainsi varier la déviation du faisceau interne 61 dans un chemin du faisceau externe 62 dirigé vers l’environnement.
De façon avantageuse, le premier élément optique 20 réalisé en verre, permet un grand nombre d’opérations de nettoyage ou de cycles de nettoyage du premier élément optique 20 qui, vis-à-vis de la matière plastique habituelle, est supérieur d’un facteur d’environ 100, c’est-à-dire quelques millions de cycles d’essuyage.
La matière du premier élément optique 20 est robuste vis-à-vis des dommages mécaniques, du vieillissement, des produits chimiques, du rayonnement UV, du sable soufflé, etc. ; le verre répond pratiquement à tous les impératifs connus. En particulier, le verre résiste aux produits chimiques de lavage d’une installation de lavage 31 et aux contraintes mécaniques de l’installation d’essuyage 32, de manière suffisante pour une longue durée de fonctionnement.
Le premier élément optique 20 peut être une pièce en verre réalisée ou dimensionnée pour que ne pas casser complètement et/ou générer des morceaux avec arêtes vives sous l’effet du choc d’une pierre et/ou d’un accident. De manière avantageuse, cela ne nécessite aucune ouverture non intentionnelle du lidar 100.
La signifie que le rapport du rayon de courbure R1 du premier élément optique 40 par rapport au rayon de courbure R2 du second élément optique 10, c’est-à-dire R1 :R2 est compris entre environ 2 :1 jusqu’à environ 5 :1. Le rayon de courbure R1 du premier élément optique 20 s’adapte aux concepts esthétiques et de manière caractéristique, il peut être de l’ordre de 10 cm à environ 50 cm.
La réalisation de la surface extérieure du premier élément optique 20 permet d’assurer un excellent essuyage et lavage avec l’installation d’essuyage 32 pour avoir un nettoyage optimum du premier élément optique 20.
En variante, on peut également prévoir une autre solution technique non représentée dans les figures pour le dispositif de nettoyage 30. On prévoit, par exemple, que le liquide de lavage se trouve dans une chambre verticale fermée. Cette chambre verticale fermée est ensuite déplacée sur le premier élément optique 20 à nettoyer, ce qui augmente avantageusement la durée d’action du liquide de lavage et en même temps réduit fortement la consommation de liquide de lavage.
Selon une autre variante, en plus il est prévu une installation de détection qui détecte un dépôt, par exemple, sous la forme d’humidité, de glace ou autre sur le côté extérieur du premier élément optique 20 et elle est reliée de façon à coopérer avec une installation de commande pour la commande électrique du dispositif de nettoyage 30. Ainsi, le dispositif de nettoyage 30 ne sera activé que si l’installation de détection détecte un dépôt sur le premier élément optique 20.
La montre le principe d’un mode de réalisation du procédé de l’invention pour réaliser un lidar 100. Dans l’étape 200 on fournit un boîtier 10. Dans l’étape 210 on fournit un premier élément optique 20 en verre pratiquement plat et qui est installé dans le boîtier 10.
Bien que l’invention soit décrite ci-dessus dans le cas d’un dispositif de balayage optoélectronique 3D, sous la forme d’un capteur lidar appliqué à un véhicule, on peut, par exemple, envisager d’appliquer le lidar 100 tel que proposé comme caméra optique, par exemple d’une caméra linéaire, pour une application industrielle optique dans un environnement souillé, une application à la robotique, une application à la surveillance d’immeubles ou de constructions ou autre application de ce type.
NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX
100 Lidar
3 Fil chauffant
10 Boîtier
20 Premier élément optique
31 Installation de lavage
32 Installation d’essuyage
33 Installation de chauffage
40 Second élément optique
50 Elément d’étanchéité et/ou joint
60 Source de rayonnement / laser
61, 62 Faisceaux
61 Faisceau interne
200, 210 Etapes du procédé
R1, R2 Rayons de courbure

Claims (10)

  1. Lidar (100) comprenant :
    - un boîtier (10), et
    - un premier élément optique (20) installé dans une paroi latérale du boîtier (10), cet élément étant en verre et pratiquement plat.
  2. Lidar (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément optique (100) a une faible courbure extérieure, définie.
  3. Lidar (100) selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre un élément d’étanchéité (50) entre le premier élément optique (20) et le boîtier (10).
  4. Lidar (100) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’élément d’étanchéité (50) est fixé dans une rainure du premier élément optique (20).
  5. Lidar (100) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l’élément d’étanchéité (50) est réalisé sous la forme d’une lèvre en caoutchouc.
  6. Lidar (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’une installation de chauffage (33) est prévue dans le premier élément optique (20).
  7. Lidar (100) selon l’une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le premier élément optique (20) est réalisé à niveau avec l’élément d’étanchéité (50) ou est légèrement en saillie par rapport à l’élément d’étanchéité (50).
  8. Lidar (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte à l’intérieur du boîtier (10) un second élément optique (40) qui est rotatif par rapport au premier élément optique (20).
  9. Lidar (100) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le rapport des rayons de courbure (R1, R2) du premier élément optique (10) et du second élément optique (40) est de l’ordre de 2 :1 jusqu’à environ 5 :1.
  10. Procédé de réalisation d’un Lidar (100) comprenant les étapes suivantes consistant à :
    - disposer d’un boîtier (10), et
    - placer dans le boîtier (10) un premier élément optique (20) en verre, essentiellement plat.
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