Comparaison d'applications de scanners laser

Les lasers (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement) sont des dispositifs électroniques qui émettent un ou plusieurs faisceaux de lumière cohérente. Le terme « cohérent » indique des ondes électromagnétiques de fréquence et de forme d'onde identiques et une différence de phase constante. Les lasers peuvent être utilisés aux fins suivantes :

• Applications de découpe, de gravure, de soudage et de tranchage — comme la gravure de précision, le perçage, la finition des semi-conducteurs, le resurfaçage mécanique et (dans le domaine médical) la chirurgie oculaire LASIK
• Imagerie et projection — comme en holographie, en microscopie confocale, dans le domaine des relevés à haute définition (pour la création de nuages de points) et en spectroscopie laser
• Transmission de données — comme dans les lecteurs de codes-barres, ainsi que dans les technologies fibre optique et DVD
• Positionnement — comme dans les systèmes de sécurité des cellules de travail, l'impression 3D et les systèmes de détection et de télémétrie par la lumière (LiDAR)

Le balayage laser, autrement dit l'utilisation de faisceaux laser balayés ou déviés, est au cœur d'un grand nombre de ces applications. Cet article passe en revue plusieurs applications de balayage laser qui sont les plus courantes dans l'automatisation industrielle.

Dans sa forme la plus simple, un signal laser est généré comme une source ponctuelle, puis balayé selon un angle actif par réflexion sur un miroir interne contrôlé avec précision. Un détecteur de lumière interne lit le signal réfléchi. L'angle de projection et le temps de vol (ToF) du faisceau laser étant connus, l'électronique du scanner peut utiliser les signaux renvoyés pour créer une carte détaillée des structures situées dans le rayon d'action du scanner.

Simple sur le plan conceptuel, cette technologie a dû relever de nombreux défis de développement pour être appliquée dans le monde réel. Parmi les plus grandes difficultés on peut citer les variations de la lumière ambiante, le mouvement des plateformes, l'étalonnage des sources de lumière pour obtenir un résultat constant et la résistance à la poussière et à la saleté que l'on trouve habituellement dans les environnements industriels.

Des solutions ont été trouvées à ces défis techniques ; et à présent, certaines des applications les plus sophistiquées concernent les véhicules terrestres autonomes qui utilisent des scanners 3D sur une plage de 360°. Aujourd'hui, il est également courant de voir des scanners laser à nivellement automatique utilisés dans la construction pour l'accrochage de précision de la tôle ou le nivellement du sol. Autre application du scanner laser, les retournements des géomètres aident les ingénieurs en génie civil à planifier la pente des routes avec une résolution de quelques millimètres. Ce sont là des exemples de dispositifs de balayage laser conçus spécialement pour des fonctions bien précises, bien que la véritable polyvalence des scanners laser se trouve dans les usines.

Scanners laser pour la sécurité industrielle

Prenons l'exemple d'une application essentielle du scanner laser dans l'automatisation : la protection des cellules de travail dangereuses. Dans les installations de base, un scanner laser est placé à une position fixe, tandis que le laser balaie un seul plan. Ces scanners constituent des barrières lumineuses qui servent de systèmes de surveillance de la sécurité. Une barrière lumineuse est placée de manière à protéger un équipement spécifique potentiellement dangereux et elle surveille toute interruption du faisceau lumineux. En réponse à une interruption, elle ralentit ou arrête l'équipement critique ou génère un signal d'alarme.

Le scanner doit être correctement positionné, tandis que la géométrie du faisceau doit permettre de surveiller tout point d'entrée potentiel pour un opérateur. Comme l'impliquent les modes de réponse mentionnés ci-dessus, un scanner est souvent utilisé en combinaison avec d'autres équipements de sécurité (protections, alarmes et interrupteurs) pour s'assurer de l'absence de danger pour un opérateur lorsqu'il s'approche de l'équipement.

Avant le recours aux technologies de balayage optique, des dispositifs de verrouillage mécaniques étaient utilisés pour protéger les cellules de travail dangereuses. Pendant la maintenance, l'électricité de la cellule de travail était coupée et des procédures de verrouillage étaient mises en place. Les êtres humains sont notoirement peu fiables, et on sait qu'ils contournent les mesures de protection. Les verrouillages optiques sont plus fiables, en particulier lorsqu'ils sont associés à une réinitialisation matérielle ou à un panneau à deux opérateurs, afin de garantir qu'un opérateur seul ne soit en mesure de provoquer un redémarrage. Pour en savoir plus, consultez l'article « Utiliser des scanners laser de sécurité pour la protection des opérateurs humains » de DigiKey.

Figure 1 : Ce scanner laser de sécurité série SX5 permet aux équipementiers ou aux utilisateurs de définir jusqu'à six zones de sécurité et deux zones d'alerte à l'aide d'un PC. (Source de l'image : Banner)

Note sur les technologies de temps de vol (ToF) : L'utilisation de la technologie ToF permet une cartographie précise de la localisation des objets sur la base des coordonnées polaires : angle du faisceau lumineux et distance à un objet dans la zone observée. Ces informations peuvent être utilisées pour créer une carte de la surface observable par le scanner en zones. Il s'agit d'un point essentiel lorsque l'on considère le prochain cas particulier de travail avec des robots collaboratifs (cobots).

Les cobots sont conçus pour travailler aux côtés d'opérateurs humains lors d'activités de collaboration. Cela nécessite une grande proximité et implique des risques. Un scanner programmé avec une carte de l'espace de travail peut contrôler les mouvements autorisés du cobot en fonction de son emplacement et des déplacements de son collaborateur. Il s'agit d'un domaine de croissance relativement nouveau sur le marché de la robotique et des scanners, de sorte que de nouvelles applications sont en constante évolution.

Scanners laser pour les véhicules terrestres autonomes et les tâches de localisation

Examinons maintenant les avantages et les inconvénients de la détection et de la télémétrie par la lumière (LiDAR) basées sur des scanners laser utilisant la technologie ToF sur une plateforme mobile. Utilisés dans les véhicules terrestres autonomes, ces systèmes reposent sur des cartes internes de l'emplacement des véhicules, de sorte que toutes les détections d'objets disposent d'un contexte. Cette fonctionnalité est connue sous le nom de localisation et cartographie simultanées ou SLAM. Cela ajoute à la complexité du système car les erreurs de localisation ont un impact direct sur la localisation cartographiée des obstacles ou des cibles. L'utilisation de transpondeurs locaux, de programmes d'apprentissage ou de pistes intégrées au sol permet d'atténuer ce problème.

Figure 2 : Il s'agit d'un scanner laser de sécurité SEL-H05LPC à 270°, destiné à être utilisé dans les véhicules terrestres autonomes, les chariots élévateurs, les robots et d'autres équipements mobiles que l'on trouve dans les installations industrielles. (Source de l'image : IDEC)

Les technologies de balayage sont sensibles aux variations du rapport signal/bruit (SNR) en fonction des changements de la lumière ambiante. Le pire cas étant le plein soleil où la lumière peut être supérieure de plusieurs ordres de grandeur à l'éclairage de balayage. Il existe plusieurs solutions possibles, notamment la modulation de la source, le balayage structuré, l'utilisation de fréquences étroites et le filtrage. Heureusement, les véhicules terrestres autonomes fonctionnent principalement dans des entrepôts à l'éclairage maîtrisé, qui n'ont pas besoin de ce genre de techniques. Pour les véhicules destinés à fonctionner à l'extérieur, des études et des recherches intenses sont actuellement menées pour trouver des solutions.

Les scanners laser sont, par définition, des dispositifs à visibilité directe. Autrement dit, ils sont limités à la vue qui est directement devant eux. Face à une colonne de piliers, le scanner ne verra que le pilier de tête dans la rangée. Un changement de perspective est nécessaire pour que le scanner puisse détecter des piliers supplémentaires, à condition qu'ils se trouvent la zone de portée.

La technologie LiDAR sur les véhicules mobiles peut s'avérer très utile, surtout lorsque ce LiDAR est associé à d'autres capteurs pour répondre aux changements en temps réel dans les environnements d'entrepôt. Le LiDAR permet ainsi d'augmenter les cadences de livraison, de réduire les besoins en personnel ou de minimiser les accidents.

Choisir les bonnes capacités de balayage dans un système LiDAR signifie spécifier la plage linéaire, la fenêtre de balayage angulaire, ainsi que la résolution linéaire et angulaire pour ces mesures. La largeur de bande ou la fréquence de mise à jour est un autre élément critique car elle peut limiter la vitesse de fonctionnement du véhicule terrestre autonome. Enfin, mais c'est important, la consommation d'énergie détermine le temps entre chaque recharge, ainsi que le nombre d'unités pouvant être déployées à un moment donné.

De nombreux véhicules terrestres autonomes actuellement sur le marché utilisent le LiDAR pour se déplacer dans leur environnement d'usine ou d'entrepôt automatisé. (Source de l'image : Gettyimages)

Considérations électriques et mécaniques concernant le LiDAR dans les véhicules terrestres autonomes

Le LiDAR continue d'évoluer, en grande partie sous l'impulsion du marché des véhicules autonomes. Par conséquent, il existe un large choix de capacités, de fonctions et de prix. Cela signifie également qu'aucune norme de montage ou de connectivité n'a encore vu le jour. Lorsque l'on envisage d'utiliser des véhicules terrestres autonomes dans une application, le processus consiste à faire correspondre les offres existantes aux exigences du système et à préciser la structure physique qui en découle. Plusieurs entreprises se chargent de l'ingénierie des systèmes et proposent des systèmes LiDAR complets ou personnalisables. Selon les besoins, une solution pré-élaborée peut constituer le point de départ vers une solution plus optimisée.

Le National Institute of Standards and Technology (NIST) a pris l'initiative d'établir des normes de sécurité pour les véhicules terrestres autonomes. À l'heure actuelle, elles sont principalement axées sur la question des collisions, notamment :

• Pare-chocs repliables : La plupart des anciens modèles sont équipés de capteurs de force et déclenchent un arrêt lorsqu'ils rencontrent un obstacle, limitant ainsi la force de contact.
• Méthodes sans contact : Les véhicules terrestres autonomes modernes sont censés détecter des objets et s'arrêter sans provoquer de collision. Des formes de test se rapprochant de la forme humaine ont été utilisées, bien que des formes et des poses plus humaines soient proposées pour de futurs essais.
• Obstacles soudains : Apparition inattendue d'un obstacle dans la zone de sécurité. Les véhicules terrestres autonomes sont censés déclencher un arrêt d'urgence, mais ils ne sont pas censés éviter la collision.
• Anticipation des obstacles occlus : Ces obstacles sont notamment des équipements ou des personnes se trouvant à proximité de la trajectoire des véhicules terrestres autonomes. En principe, certaines zones lentes sont désignées dans lesquelles on compte moins de 0,5 m de dégagement par rapport à la trajectoire des véhicules terrestres autonomes.

En prévision de l'utilisation future des véhicules terrestres autonomes, des normes de sécurité pour robots sont également en cours d'élaboration pour commencer à développer des méthodes d'essai impliquant l'utilisation d'un bras robotique fixé à la base d'un véhicule.

L'une des tendances dominantes du LiDAR est la volonté de réduire la taille, le poids et le coût du LiDAR sans pour autant compromettre les performances. Des progrès ont été réalisés au cours de la dernière décennie, réduisant ces attributs d'un certain ordre de grandeur. Comme déjà mentionné, la localisation ou SLAM fait l'objet d'une plus grande attention. La solution privilégiée permettra à un véhicule terrestre autonome de démarrer de n'importe où et de développer sa propre carte interne du monde dans lequel il évolue. Une telle opération repose sur l'intégration du LiDAR à d'autres types de capteurs, dont les GPS, les capteurs de vitesse de roue et les appareils photo.

Scanners laser pour la communication de données

Le concept d'un lecteur de codes-barres linéaires est simple : une combinaison de lignes et d'espaces crée une sorte de code Morse qui peut être lu directement comme suit :

• Mesure de la lumière du scanner telle qu'elle est réfléchie par le code-barres
• Mesure de la lumière ambiante telle qu'elle est réfléchie

Il existe neuf variétés de codes-barres linéaires régulièrement utilisés dans le monde, selon l'application. Bien que les scanners laser constituent la norme pour la lecture des codes-barres, ces codes ne nécessitent pas nécessairement la précision d'une source de lumière laser, à quelques exceptions notées ci-dessous. Dans la plupart des cas, la lecture et la traduction du contenu du code-barres s'effectuent à l'intérieur du scanner. En général, le lecteur de codes-barres transmet les valeurs décodées directement à une base de données.

Quelques domaines exigent la résolution fine d'un laser pour codes-barres. Dans les endroits où l'espace est restreint, les bandes de codes-barres standard sont limitées à un format physique plus étroit. Cela nécessite un lecteur à résolution fine et les scanners laser font très bien l'affaire. Il en va de même lorsque le code-barres est plus éloigné (sur une étagère dans un entrepôt par exemple), ce qui réduit sensiblement la taille angulaire du code.

Parfois, la lumière ambiante n'est pas suffisante pour assurer un bon contraste entre les barres et les espaces. Dans ce cas, une source de lumière connue comme un laser convient pour éclairer le code et le rendre facilement lisible.

Les consommateurs qui fréquentent les supermarchés connaissent bien les scanners à main des caisses en libre-service. Comme les codes-barres peuvent être présentés dans un nombre infini d'orientations, les scanners doivent, dans ces conditions, produire une matrice serrée de lignes de balayage laser croisées. De cette manière, quelle que soit la présentation du code-barres, au moins une des lignes de balayage interceptera la totalité du code.

Figure 4 : Cette carte de lecteur de codes-barres MIKROE-2913 peut lire des codes-barres 1D et 2D respectant divers protocoles. Elle comprend un port micro-USB pour fonctionner comme dispositif autonome ou avec d'autres cartes. (Source de l'image : MikroElektronika)

Lecteurs de codes-barres 2D : Les codes bidimensionnels (2D) diffèrent des codes linéaires mentionnés ci-dessus. Ils ont gagné en popularité grâce à leur forte densité d'information, au contrôle des erreurs et à leur lisibilité, même s'ils sont endommagés. En raison de leur complexité, les codes-barres 2D ne sont pas adaptés aux scanners laser et dépendent d'appareils photo pour le décodage. Quatre types de codes-barres 2D sont couramment utilisés, même si la plupart des consommateurs connaissent le code à réponse rapide (code QR), qui est facilement lisible par la plupart des smartphones.

Lorsque les fabricants de machines et les utilisateurs évaluent les options de codes-barres et de lecteurs, trois aspects principaux doivent être pris en compte :

1. Où le scanner sera-t-il utilisé ? Est-ce pour l'inventaire dans un entrepôt, pour le suivi des pièces de production sur une chaîne de fabrication ou pour une utilisation sur un point de vente ?
2. Quelle quantité de données est nécessaire et quel est l'espace physique disponible sur l'article pour y placer le code-barres ?
3. Sur quelle surface le code-barres sera-t-il imprimé, et quelle résolution d'impression cette surface est-elle capable de prendre en charge ?

Une fois que ces trois questions auront trouvé une réponse, plusieurs alternatives viables pourront être choisies.

Figure 5 : Ce lecteur de codes-barres laser Code Reader 950 de Brady Corporation est doté d'un capteur d'image de grande surface pour faciliter le balayage. Il en résulte une lecture omnidirectionnelle des codes-barres 1D et 2D, même sur des surfaces brillantes. (Source de l'image : Brady Corporation)

Autres alternatives aux solutions de lecteurs et d'appareils photo : La plupart des variantes du lecteur de codes-barres ont été abordées ci-dessus. Il convient de mentionner que certains lecteurs de codes-barres utilisent une longue rangée de LED pour éclairer le code en conjonction avec une rangée correspondante de détecteurs CCD (dispositifs à couplage de charges) afin de détecter la lumière réfléchie. On les appelle les lecteurs LED.

Il existe également des systèmes de caméras spécialement conçus et configurés pour lire efficacement et rapidement les codes 2D.

Conclusion sur les applications de scanners laser

La multiplication des dispositifs et des utilisations basés sur le laser depuis l'invention de ce dernier en 1960 est stupéfiante. Bien que le code-barres soit antérieur de 11 ans au laser, l'utilisation de la lumière cohérente pour lire les informations est devenue la norme. Le balayage de détection et le suivi de position par laser sont également devenus des solutions incontournables dans les milieux industriels. Qu'il s'agisse de concevoir un système de toutes pièces ou d'améliorer un processus existant, il est fort probable que certaines déclinaisons de l'approche par balayage laser soient utiles pour la plupart des applications industrielles de fabrication ou de suivi. Compte tenu du chemin parcouru par la technologie, on peut penser que même si la conception exacte n'est pas encore disponible aujourd'hui, un système adapté se profile à l'horizon.