Rapport de projet coopératif Mise en œuvre d un télémètre à comparaison de phase

IFIPS ème Année Rapport de projet coopératif Mise en œuvre d un télémètre à comparaison de phase David COLIN Marie DUBOUE Ali EL MOKHTAR Aurélien NOEL Adrien PEREYROL Yann PHAM THAN Jeremy SILBERSTEIN Projet Coopératif - Télémètre 1

IFIPS ème Année I- Introduction I.1- Objet du projet Ce projet consiste à mettre au point un télémètre à comparaison de phase avec une IHM permettant de lire le résultat du télémètre ainsi que de calibrer le télémètre réalisé. Nous devons donc réaliser un dispositif expérimental du télémètre à comparaison de phase. Pour cela, nous avons mis en œuvre les éléments suivants : une diode laser un photodétecteur que nous avons choisi une détection synchrone. L IHM consiste principalement en la conversion de la mesure de phase en une distance lisible par l utilisateur final. Une procédure de calibration doit également être implémentée. I. Organisation de la maquette Le principe du télémètre à comparaison de phase est donné par la figure suivante : Générateur HF Laser modulé Elargisseur Détecteur synchrone Mesure de phase Photodétecteur Optique de collection, filtre Affichage de distance Projet Coopératif - Télémètre

IFIPS ème Année I.3 Présentation de l équipe Pour ce projet, l équipe est composée de 8 apprentis : Jérémy SILBERSTEIN (Info) Yann PHAM THANH (Info) David COLIN (Electro) Adrien PEREYROL (Electro) Aurélien NOEL (Electro) Ali EL MOKHTAR (Electro) Marie DUBOUE (Optro) Ali ELMOKHTAR et David COLIN ont été nommés respectivement responsable de la communication et chef de projet. Les tâches ont été réparties de la manière suivante : Marie DUBOUE s est occupée de la mise en œuvre de la diode laser (partie optique) Jérémy SILBERSTEIN, Aurélien NOEL et Yann PHAN THANH se sont occupés de l interface graphique sous Labview. Adrien PEREYROL, Ali ELMOKHTAR et David COLIN ont mis en œuvre la carte électronique de réception et de calcul permettant de traiter les signaux issus de la diode laser et d être traité par la centrale d acquisition Labview. Projet Coopératif - Télémètre 3

0-3 -3, -3,5-3,6-3,7-3,7-3,8-3,8-3,8-4 -4-4,1-4, -4,4-4,4-4,4-5,1-5,8-7 -8 Intensité (ma) Groupe A IFIPS ème Année II- Calibration et mise en œuvre de la diode laser II.1 Prise en main de la diode laser La première étape de cette partie fut de comprendre le fonctionnement de la diode laser utilisée. Nous utilisons une diode laser de la série Beta TX de la marque RS. L analyse de la datasheet de la diode laser utilisée pour le télémètre a permis le branchement et le test de cette dernière. Ensuite une première carte a été fabriquée comportant les éléments permettant d alimenter la diode. II. Calibration de la diode laser Afin de connaître la zone de linéarité de la diode pour trouver l intervalle de modulation, nous avons calibré cette dernière. Voici nos résultats de calibration : Tension(V) Intensité (ma) Puissance optique (µw) 0 0 0,58-3 1,0 0,58-3,18 3 9,73-3,5 8,8 15,6-3,6 30,6 17,5-3,67 3,9 1,4-3,7 33,5,3-3,76 34 3,3-3,79 34,8 4,8-3,8 37,1 9,9-3,98 39,4 36,8-4,0 41,7 48,5-4,1 43 58,5-4,3 45 89,8-4,38 47, 4-4,4 48,5 416-4,41 48,9 57-5,1 5 1060-5,78 5,1 1080-7 5,7 1130-8 5,8 1140 A partir de ces relevés de mesure, nous avons pu tracer les caractéristiques courant/tension et puissance optique/tension. Voici les courbes obtenues : Caractéristique V(I) 60 50 40 30 0 10 0 Tension (V) Projet Coopératif - Télémètre 4

0-3 -3, -3,5-3,6-3,7-3,7-3,8-3,8-3,8-4 -4-4,1-4, -4,4-4,4-4,4-5,1-5,8-7 -8 Puissance optique (µw) Groupe A IFIPS ème Année Caractéristique V(I) 100 1000 800 600 400 00 0 Tension (V) On observe bien que la diode possède une zone linéaire de fonctionnement. De plus, on observe bien le seuil de transition laser aux alentours de -3V. Ces données nous permettent donc d affirmer que nous devrons moduler dans la zone linéaire, c'est-à-dire entre -4 et -5V. Nous avons également déterminé le taux de modulation de la diode. Pour cela, nous appliquons continument le signal sur le photorécepteur et nous observons la composante continue qui en résulte (sans modulation). Les relevés nous ont donné une valeur de 9,71mV. Ensuite, nous comparons cette valeur avec la valeur crête à crête du signal obtenu avec une modulation à 10KHz. Nous obtenons une valeur de 9,60mV. A partir de ces deux relevés nous pouvons en déduire le taux de modulation de la diode laser : T modulation = 9,71 9,60 =98,9% La documentation du constructeur nous donne un taux de modulation à 90%. Nos relevés sont donc proches et cohérents. Afin d obtenir le meilleur signal en sortie du photodétecteur, il faut adapter l impédance de sortie via la résistance R load. Projet Coopératif - Télémètre 5

IFIPS ème Année En réduisant la bande passante du signal, on augmente son amplitude. Nous avons calculé notre fréquence de coupure conformément à l équation suivante : Fréquence de coupure du filtre RC C j = 6pF (fixe) R load, est un potentiomètre dont la valeur varie de 4Ω à 5KΩ. Ainsi, on peut obtenir une bande-passante de 1,061MHz à 6631MHz avec respectivement 5KΩ et 4Ω. Le choix qui a été fait est de prendre la fréquence de coupure la plus petite possible (proche de 1MHZ). Nous avions choisi 1MHz en fonction de la résolution de la mesure que nous souhaitions obtenir. Projet Coopératif - Télémètre 6

IFIPS ème Année III. Mise en œuvre de la carte électronique de réception III.1 Schéma bloc de principe Le but de la carte électronique consiste à mettre en œuvre une détection synchrone. Le schéma bloc suivant décrit le principe de fonctionnement de cette carte : Photo Détecteur Adaptateur Transimpédance Filtre passe-haut Amplificateur Détecteur synchrone USB vers NI LabView Filtre passe-bas GBF Pour rappel, nous devons comparer les différences de phase du signal reçu par la photodiode et le signal modulant le laser. Après un traitement effectué sur le signal reçu par la photodiode ( adaptation transimpédance, filtrage et amplification si nécessaire), le multiplieur va nous permettre d obtenir un signal continu dont la tension varie avec la différence de phase des deux signaux. III. Caractérisation du filtre passe-haut Pour les filtres, nous avons choisi d utiliser des filtres RC passifs. Le premier filtre est un passe-haut. Il permettra la suppression de la composante 50 Hz des néons et de la lumière ambiante qu il y a dans les salles du bâtiment G. Nous avons choisi comme fréquence de coupure 1kHz afin de pouvoir tout de même récupérer le signal utile à 1 MHz Pour cela, nous prenons un couple RC tel que : R = 1,5 kω. C = 100 nf. f 1 1, khz c RC 061 Voici le schéma de simulation réalisé pour ce filtre : C1 1Vac 0Vdc V1 100n V R1 1500 0 Projet Coopératif - Télémètre 7

IFIPS ème Année Voici son diagramme de Bode en amplitude : La fréquence de coupure à -3dB (Amplitude = 0.7 pour un signal d entrée de 1V d amplitude) intervient bien à environ 1 khz. Notre filtre nous permettra donc de filtrer suffisamment (Amplitude à 50 Hz = 0.05) la composante 50 Hz. III.3 La détection synchrone La détection synchrone est mise en œuvre via une multiplication des signaux. On multiplie le signal reçu par la photodiode avec le signal de référence qui module le laser à l émission. Ces deux signaux possédant les mêmes fréquences mais pas les mêmes phases ; nous devrions obtenir un signal à deux composantes. X Acos( F ) Y B cos( F ) Sortie X * Y F 1MHz Sortie Acos( F A* B Sortie cos AB Sortie cos 1 ) * B cos( F ( F F) ( ) cos ( F F) ( ) AB cos F ( ) 1 1 1 ) Après la multiplication, nous sommes donc censés avoir un signal composé d un offset qui varie en fonction de la différence de phase, et un signal sinusoïdal avec une fréquence de MHz. 1 1 Projet Coopératif - Télémètre 8

IFIPS ème Année Il nous suffirait d effectuer un filtrage afin de supprimer la composante sinusoïdal, et de ne garder que la composante continu image de la différence de phase pour pouvoir évaluer la distance. III.4 Caractérisation du filtre passe-bas Pour ce filtre aussi, nous avons choisi un filtre RC passif. Nous devons filtrer la composante sinusoïdal qui a un fréquence de MHz, nous allons donc filtrer à 1 khz, pour être certain de garder notre composante continu et de supprimer le reste. Pour cela nous choisissons un couple RC tel que : R = 1,5 kω. C = 100 nf. f 1 1, khz c RC 061 Voici le schéma de simulation réalisé pour ce filtre : R1 1Vac 0Vdc V1 1500 V C1 100n 0 Voici le diagramme de Bode en amplitude obtenu : La fréquence de coupure à -3dB (Amplitude = 0.7 pour un signal d entrée de 1V d amplitude) intervient bien à environ 1 khz. Notre filtre nous permettra donc de filtrer suffisamment (Amplitude à MHz = 0) la composante sinusoïdal. Projet Coopératif - Télémètre 9

IFIPS ème Année III.4 Les problèmes rencontrés Lors du projet (dans la partie électronique), les principaux problèmes rencontrés furent la mise en place du multiplieur sur plaque LABDEC, car il y a plusieurs précautions à prendre avec un composant comme celui-ci très sensible au bruit. En effet, nous avons dû filtrer les alimentations, car ces dernières pouvaient perturber notre circuit intégré. Enfin, l autre problème, plutôt général au projet, est la fluctuation de la réception de la photodiode. En effet, lorsque l on modifiait la distance de la cible, la trajectoire de la cible ne revenait pas précisément au centre de la photodiode, ce qui réduisait l amplitude de sortie de ce dernier. Cette gigue nous empêchait d effectuer notre calcul de distance car cela faisait intervenir un second paramètre qui changeait alors que nous en attendions un seul, la différence de phase entre le signal référence et le signal photodiode. Pour résoudre ce problème nous avons décidé d annuler la fluctuation en faisant annuler ce paramètre dans les calculs de distance. Pour cela, nous intégrions une seconde entrée à la carte d acquisition LABVIEW, qui est le signal en sortie de la photodiode lui-même. Nous diviserons notre entrée continu par cette dernière afin de supprimer l influence de l amplitude (=1) sur nos calculs. Ainsi notre Signal continu serait influencé que par la différence de phase. AB Entrée1 cos( Entrée B V V V dis tan ce dis tan ce dis tan ce ) Entrée1 Entrée AB cos( 1) B A cos( 1) 1 Ainsi il n y aura plus qu à effectuer les calculs permettant de déterminer la distance (expliqué dans la partie informatique). III.5 La carte électronique de détection synchrone. Voici la carte électronique de réception : Projet Coopératif - Télémètre 10

IFIPS ème Année Multiplieur Détection synchrone Filtre passe-haut Vers carte Acquisition NI Adaptation + Amplification Filtre passe-bas Projet Coopératif - Télémètre 11

IFIPS ème Année IV. Mise en œuvre de l interface graphique sous Labview L application permettant de visualiser les résultats a été développée avec le logiciel Labview. Elle se décompose en fenêtres, l une pour effectuer le calibrage et l autre pour voir la distance calculée. Afin d effectuer l affichage, voici le raisonnement mathématique suivi : A Vdis tance cos( 1) * Vdis ( 1) arccos A 4 FL ( 1) c ( 1)* c L 4 F tance IV.1 Lecture des tensions Afin de récupérer les tensions dans notre application, nous avons configuré une carte d acquisition afin de pouvoir lire la tension en sortie de la photodiode et la tension image de la différence de phase reflétant la distance. Ces valeurs seront intégrées dans nos calculs à l aide de l Assistant DAQ de Labview. IV. Le Calibrage Afin de ne pas surcharger une fenêtre, nous avons décidé d effectuer le calibrage dans un sous-vi. Pour déterminer le calibrage, le programme effectue le calcul suivant : K = u u1 / d d1 Où u1 et u sont les distances calculées avec les tensions récupérées et d1 et d correspondent aux distances effectives. Dans un premier temps, on affiche u1 et on valide la valeur, on affiche u et on valide, puis ensuite, on indique d1 et d manuellement correspondant à la distance effective pour respectivement u1 et u. Lorsqu on valide, le K est calculé et conservé dans une variable afin de pouvoir être utilisé dans la fenêtre principale. Projet Coopératif - Télémètre 1

IFIPS ème Année u Fréquence de modulation u1 Bouton validation de la différence de phase Figure 1 - Fenêtre de calibrage Récupération des tensions Différence de phase Calcul de la distance Calcul du K Figure Programme LabView pour le calibrage Projet Coopératif - Télémètre 13

IFIPS ème Année IV.3 L affichage des distances Une fois le calibrage effectué, nous observons les distances mesurées dans l interface graphique de notre fenêtre. Le calcul de la distance comporte la différence de phase définie avec les tensions en sortie de carte d acquisition, le K déterminé lors du calibrage, la fréquence de modulation indiquée par l utilisateur et des constantes. A chaque déplacement de la photodiode, la distance varie et s affiche automatiquement. Fréquence de modulation Distance mesurée Figure 3 Fenêtre de résultat Récupératio n des tensions Différence de phase Calcul de la distance Récupératio n du K Figure 4 Programme LabView Projet Coopératif - Télémètre 14

IFIPS ème Année ANNEXE- Les télémètres Le principe des télémètres consiste à mesurer le temps mis par une onde électromagnétique (ultrasonore, infrarouge, visible) pour parcourir la distance à mesurer, c est à dire celle qui sépare le capteur de la cible sur laquelle vient se réfléchir cette onde. Il existe différents types de télémètres, qui permettent de mesurer la distance à l environnement, utilisant divers principes physiques. 1 Les télémètres acoustiques Ces capteurs sont basés sur la mesure directe du temps de vol d une onde ultrasonore produite en excitant une céramique piézo-électrique à l aide d impulsions de fréquence voisine de 40 khz. Une deuxième céramique convertit l onde réfléchie par l obstacle en un signal électrique. Les télémètres à ultrason Les télémètres à ultrason sont historiquement les premiers à avoir été utilisés. Ils utilisent la mesure du temps de retour d une onde sonore réfléchie par les obstacles, pour estimer la distance. Ces télémètres sont très simples et peu cher, et sont donc très répandus. Ces télémètres possèdent néanmoins de nombreux inconvénients. En premier lieu, deux télémètres voisins ne peuvent être utilisés simultanément, car il est impossible de savoir par lequel des deux télémètres une onde réfléchie a été émise (phénomène de crosstalk ). Ces télémètres possèdent une zone aveugle, de quelques dizaines de centimètres, en dessous de laquelle ils ne peuvent détecter les obstacles. Cette zone est due a une temporisation entre l émission de l onde sonore et le début de la détection de l onde réfléchie qui est nécessaire pour ne pas perturber cette mesure. De plus, l onde réfléchie est très sensible aux conditions environnementales locales. Ainsi, si l angle entre l obstacle et la direction de l onde sonore est trop faible, il n y aura pas de retour de l onde sonore et l obstacle ne sera pas perçu. Projet Coopératif - Télémètre 15

IFIPS ème Année L onde de retour dépend également de la texture de l obstacle. Un mur couvert de moquette pourra par exemple ne pas être détecté. Les télémètres ultrason détectent les obstacles se situant dans un cône relativement large (d angle au sommet d environ 30 degrés). Cette caractéristique peut être à la fois un avantage et un inconvénient. C est un inconvénient car un obstacle détecté n est pas localisé en angle à l intérieur du cône de détection, et on obtient donc une mesure de la position relativement imprécise. C est par contre un avantage car des éléments relativement fins (les pieds de table ou de chaise par exemple) sont détectés dans ce cône, alors qu il pourraient ne pas être détectés par des télémètres ayant un angle d ouverture très fin. Les télémètres optiques Les ondes optiques utilisées en télémétrie sont produites par une diode laser fonctionnant en mode continu ou pulsé pour émettre un faisceau de lumière monochromatique généralement dans le rouge (λ=670 nm), l infrarouge ou le proche infrarouge (780 nm <λ <850 nm).. La cohérence spatiale de la lumière laser permet d obtenir des faisceaux de très faible divergence et de luminance élevée. On distingue la télémétrie impulsionnelle et la télémétrie à différence de phase. Les télémètres à infrarouge Ces télémètres possèdent l avantage d avoir un cône de détection beaucoup plus restreint que ceux à ultrasons. Ils utilisent une lumière infrarouge au lieu d une onde sonore pour la détection et peuvent être basés sur différentes techniques qui permettent de recueillir plus ou moins d information. Il est possible de mesurer simplement le retour ou le non-retour d une impulsion codée, ce qui permet de détecter la présence ou l absence d un obstacle dans une certaine portion de l espace. Il est également possible de réaliser une triangulation sur le faisceau de retour de l onde lumineuse, ce qui permet d avoir une mesure de la distance de l obstacle. Les inconvénients de ces télémètres sont liés à leur portée, en général relativement restreinte, et à leur sensibilité aux fortes sources de lumières qui contiennent un fort rayonnement infrarouge. Ils sont également très sensibles à la couleur et à la nature de la surface de l obstacle (par exemple, ils détectent difficilement les vitres). Les télémètres lasers La télémétrie laser bénéficie de la directivité du faisceau qui permet d'obtenir des mesures de distances avec une grande précision spatiale. La vitesse de la lumière, très grande comparée à celle des cibles, permet de faire des mesures quasi instantanées. Les télémètres les plus utilisés à l heure actuelle pour des applications de cartographie et de localisation sont les télémètres laser à balayage. Ils utilisent un faisceau laser mis en rotation afin de balayer un plan, en général horizontal, et qui permet de mesurer la distance des objets qui coupent ce plan. Cette mesure peut être réalisée selon différentes techniques (mesure du temps de retour, interférométrie...). Les télémètres les plus courant ont une bonne résolution angulaire car ils permettent d obtenir une mesure de distance tout les demi degrés, sur une zone de 180 ou 360 Projet Coopératif - Télémètre 16

IFIPS ème Année degrés selon les modèles. La mesure est de plus relativement précise (avec un bruit de l ordre de quelques centimètres) à une distance relativement grande (plusieurs dizaines de mètres). La fréquence d acquisition est en général de l ordre de la dizaine de Hertz, voire proche de la centaine pour certains modèles. Ces télémètres sont très utilisés en environnement intérieur car ils fournissent des données abondantes et précises sur la position des objets caractéristiques de l environnement, tels que les murs. Ils possèdent toutefois un certain nombre d inconvénients. En premier lieu, leur zone de perception est restreinte à un plan et ne permet donc pas de détecter les obstacles situés hors de ce plan (un petit objet posé au sol par exemple). Ils ne peuvent pas non plus détecter les objets ne réfléchissant pas correctement la lumière du laser (les vitres, mais aussi certains objets très réfléchissants, tels que les objets chromés). Pour limiter ces inconvénients, il est possible de les utiliser en conjonction avec des capteurs à ultrason qui ont un cône de détection plus large et qui peuvent détecter les vitres. Enfin, la plupart des algorithmes de cartographie et de localisation existants supposent que le plan de mesure du télémètre laser reste horizontal et à hauteur constante, ce qui n est plus vrai en cas de sol irrégulier ou, dans la majorité des cas, en extérieur. A l heure actuelle, des télémètres laser balayant l espace selon deux axes commencent à apparaître. Ils permettent ainsi d obtenir une image de distance selon un angle solide de l ordre de quelques dizaines de degrés dans les deux dimensions. Ces télémètres restent toutefois chers et fragiles du fait de la mécanique nécessaire au balayage. Des systèmes sans balayage permettant d obtenir une image de profondeur sont également en cours de développement. Ils restent aujourd hui du domaine de la recherche. Projet Coopératif - Télémètre 17