Rapport de projet coopératif Mise en œuvre d`un télémètre à

IFIPS 2ème Année
Groupe A
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
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Groupe A
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.2 Organisation de la maquette
Le principe du télémètre à comparaison de phase est donné par la figure suivante :
Générateur HF
Elargisseur
Laser modulé
Détecteur synchrone
Mesure de phase
Photodétecteur
Optique de
collection, filtre
Affichage de
distance
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Groupe A
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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.
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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.2 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
1,02
0,58
-3,18
23
9,73
-3,5
28,8
15,6
-3,6
30,6
17,5
-3,67
32,9
21,4
-3,72
33,5
22,3
-3,76
34
23,3
-3,79
34,8
24,8
-3,82
37,1
29,9
-3,98
39,4
36,8
-4,02
41,7
48,5
-4,12
43
58,5
-4,23
45
89,8
-4,38
47,2
224
-4,4
48,5
416
-4,41
48,9
527
-5,12
52
1060
-5,78
52,1
1080
-7
52,7
1130
-8
52,8
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)
Intensité (mA)
60
50
40
30
20
10
-8
-7
-5,8
-5,1
-4,4
-4,4
-4,4
-4,2
-4
-4,1
-4
-3,8
-3,8
-3,8
-3,7
-3,7
-3,6
-3,5
-3
-3,2
0
0
Tension (V)
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1200
1000
800
600
400
200
-8
-7
-5,8
-5,1
-4,4
-4,4
-4,4
-4,2
-4
-4,1
-4
-3,8
-3,8
-3,8
-3,7
-3,7
-3,6
-3,5
-3,2
0
0
-3
Puissance optique (µW)
Caractéristique V(I)
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 :
Tmodulation=
9, 71
=98,9%
9, 60
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 Rload.
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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
Cj = 6pF (fixe)
Rload, est un potentiomètre dont la valeur varie de 4Ω à 25KΩ.
Ainsi, on peut obtenir une bande-passante de 1,061MHz à 6631MHz avec
respectivement 25KΩ 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.
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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
Filtre passe-bas
USB vers NI
LabView
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.2 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.
1
fc 
 1,061kHz
2RC
Voici le schéma de simulation réalisé pour ce filtre :
C1
100n
V1
V
1Vac
0Vdc
R1
1500
0
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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  A cos(F   1 )
Y  B cos(F   2 )
Sortie  X * Y
F  1MHz
Sortie  A cos(F   1 ) * B cos(F   2 )
A* B
cos( F  F )  ( 2  1 )   cos( F  F )  ( 2  1 ) 
2
AB
AB
Sortie 
cos 2   1  
cos2 F  ( 2   1 ) 
2
2
Sortie 
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 2 MHz.
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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 2 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.
1
fc 
 1,061kHz
2RC
Voici le schéma de simulation réalisé pour ce filtre :
R1
1500
V
V1
1Vac
0Vdc
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 2 MHz =
0) la composante sinusoïdal.
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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
cos( 2  1 )
2
Entrée2  B
Entrée1
Vdis tan ce 
Entrée2
AB
cos( 2  1 )
2
Vdis tan ce 
B
A
Vdis tan ce  cos( 2  1 )
2
Entrée1 
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 :
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Multiplieur
Détection synchrone
Vers carte
Filtre
passe-haut
Adaptation +
Amplification
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Acquisition NI
Filtre
passe-bas
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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 2 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
cos( 2  1 )
2
 2 * Vdis tan ce 
( 2  1 )  arccos

A


4FL
( 2   1 ) 
c
(   1 ) * c
L 2
4F
Vdis tan ce 
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 2 valeurs seront
intégrées dans nos calculs à l’aide de l’Assistant DAQ de Labview.
IV.2 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 = u2 – u1 / d2 – d1
Où u1 et u2 sont les distances calculées avec les tensions récupérées et d1 et d2
correspondent aux distances effectives.
Dans un premier temps, on affiche u1 et on valide la valeur, on affiche u2 et on
valide, puis ensuite, on indique d1 et d2 manuellement correspondant à la distance
effective pour respectivement u1 et u2. Lorsqu’on valide, le K est calculé et conservé
dans une variable afin de pouvoir être utilisé dans la fenêtre principale.
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Groupe A
u2
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 2 – Programme LabView pour le calibrage
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Groupe A
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
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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.
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Groupe A
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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.
2 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
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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.
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