CONCEPTION ET REALISATION D'UN TELEMETRE LASER HAUTE RESOLUTION. APPLICATION EN ROBOTIQUE A LA PERCEPTION DE L'ENVIRONNEMENT PDF Download
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LA MESURE DE DISTANCE SANS CONTACT TROUVE SES APPLICATIONS INDUSTRIELLES PRINCIPALEMENT DANS LE DOMAINE MONODIMENSIONNEL AVEC FREQUEMMENT UNE ORIENTATION METROLOGIE DE PRECISION. LE DOMAINE MULTIDIMENSIONNEL EST PAR CONTRE SOUVENT DU DOMAINE DU LABORATOIRE. IL DOIT SACRIFIER LA PRECISION AU PROFIT DE LA RAPIDITE QUI RESTE LIMITEE, SELON LA METHODE CHOISIE, SOIT PAR LES TRAITEMENTS D'IMAGES LOURDS SOIT PAR UN SYSTEME DE DEVIATION MECANIQUE LENT. UNE PRESENTATION DES PROCEDES OPTIQUES DE MESURE DE DISTANCE POSE LE CADRE D'UNE SYNTHESE ORIGINALE DES LIMITATIONS THEORIQUES DES PROCEDES PAR TRIANGULATION, MESURE D'INTENSITE, MESURE DIRECTE DE TEMPS DE VOL, INTERFEROMETRIE ET MESURE DE DEPHASAGE SUR MODULATION SINUSOIDALE UHF. CE DERNIER EST AINSI MIS EN AVANT COMME UN BON COMPROMIS. CE PROCEDE EST ANALYSE EN DETAIL AINSI QUE SES LIMITATIONS SUR UNE REALISATION A 300 MHZ. LE COMPROMIS DE BASE OPPOSE LA PRECISION (PROPORTIONNELLE A LA FREQUENCE) AU MODULO INDUIT SUR LA DISTANCE (INVERSEMENT PROPORTIONNEL). A FAIBLE SIGNAL, LES LIMITATIONS PRATIQUES SONT ESSENTIELLEMENT DUES AUX COUPLAGES ENTRE VOIES ET ENTRE OSCILLATEURS. POUR ACCROITRE LES PERFORMANCES, UNE ETUDE EST FAITE ET POSE LES BASES DE LA CONCEPTION DE SYSTEMES TELEMETRIQUES HAUTE RESOLUTION. LA MESURE DE PHASE N'EST PAS REMISE EN QUESTION ET UNE DEUXIEME FREQUENCE DE MODULATION EST UTILISEE POUR LEVER L'INDETERMINATION JUSQU'A 10 M, LA PRECISION ETANT ALORS PRESERVEE. LES RESULTATS DES REALISATIONS INDUSTRIELLES DEVELOPPEES SONT PRESENTES DANS DES ARTICLES. LES PERFORMANCES DE CE CAPTEUR EN FONT LA BASE IDEALE D'UN SYSTEME DE PERCEPTION MULTIDIMENSIONNELLE. L'ADJONCTION D'UN SYSTEME DE DEVIATION AUTORISE LA REALISATION D'UN TELEMETRE POLAIRE OU SPHERIQUE. UN MODELE D'UNIVERS PRESQUE VERTICAL(2D) ET UN MODELE FIDELE DU SYSTEME DE PERCEPTION ONT PERMIS D'ABORDER DES APPLICATIONS DANS LE DOMAINE DE LA ROBOTIQUE MOBILE. L'INFORMATION INTENSITE LUMINEUSE RECUE PERMET UN TRAITEMENT OPTIMISE D'UNE COUPE DE L'ENVIRONNEMENT. UNE APPROCHE DE LA TEXTURE GRACE A LA FUSION DE L'IMAGE D'INTENSITE ET DE CELLE DE DISTANCE EST AMORCEE (TOUJOURS EN 2D). ELLE PERMET DE DONNER A LA MACHINE DEUX SENS SUPPLEMENTAIRES ISSUS DE CE MEME CAPTEUR
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LA MESURE DE DISTANCE SANS CONTACT TROUVE SES APPLICATIONS INDUSTRIELLES PRINCIPALEMENT DANS LE DOMAINE MONODIMENSIONNEL AVEC FREQUEMMENT UNE ORIENTATION METROLOGIE DE PRECISION. LE DOMAINE MULTIDIMENSIONNEL EST PAR CONTRE SOUVENT DU DOMAINE DU LABORATOIRE. IL DOIT SACRIFIER LA PRECISION AU PROFIT DE LA RAPIDITE QUI RESTE LIMITEE, SELON LA METHODE CHOISIE, SOIT PAR LES TRAITEMENTS D'IMAGES LOURDS SOIT PAR UN SYSTEME DE DEVIATION MECANIQUE LENT. UNE PRESENTATION DES PROCEDES OPTIQUES DE MESURE DE DISTANCE POSE LE CADRE D'UNE SYNTHESE ORIGINALE DES LIMITATIONS THEORIQUES DES PROCEDES PAR TRIANGULATION, MESURE D'INTENSITE, MESURE DIRECTE DE TEMPS DE VOL, INTERFEROMETRIE ET MESURE DE DEPHASAGE SUR MODULATION SINUSOIDALE UHF. CE DERNIER EST AINSI MIS EN AVANT COMME UN BON COMPROMIS. CE PROCEDE EST ANALYSE EN DETAIL AINSI QUE SES LIMITATIONS SUR UNE REALISATION A 300 MHZ. LE COMPROMIS DE BASE OPPOSE LA PRECISION (PROPORTIONNELLE A LA FREQUENCE) AU MODULO INDUIT SUR LA DISTANCE (INVERSEMENT PROPORTIONNEL). A FAIBLE SIGNAL, LES LIMITATIONS PRATIQUES SONT ESSENTIELLEMENT DUES AUX COUPLAGES ENTRE VOIES ET ENTRE OSCILLATEURS. POUR ACCROITRE LES PERFORMANCES, UNE ETUDE EST FAITE ET POSE LES BASES DE LA CONCEPTION DE SYSTEMES TELEMETRIQUES HAUTE RESOLUTION. LA MESURE DE PHASE N'EST PAS REMISE EN QUESTION ET UNE DEUXIEME FREQUENCE DE MODULATION EST UTILISEE POUR LEVER L'INDETERMINATION JUSQU'A 10 M, LA PRECISION ETANT ALORS PRESERVEE. LES RESULTATS DES REALISATIONS INDUSTRIELLES DEVELOPPEES SONT PRESENTES DANS DES ARTICLES. LES PERFORMANCES DE CE CAPTEUR EN FONT LA BASE IDEALE D'UN SYSTEME DE PERCEPTION MULTIDIMENSIONNELLE. L'ADJONCTION D'UN SYSTEME DE DEVIATION AUTORISE LA REALISATION D'UN TELEMETRE POLAIRE OU SPHERIQUE. UN MODELE D'UNIVERS PRESQUE VERTICAL(2D) ET UN MODELE FIDELE DU SYSTEME DE PERCEPTION ONT PERMIS D'ABORDER DES APPLICATIONS DANS LE DOMAINE DE LA ROBOTIQUE MOBILE. L'INFORMATION INTENSITE LUMINEUSE RECUE PERMET UN TRAITEMENT OPTIMISE D'UNE COUPE DE L'ENVIRONNEMENT. UNE APPROCHE DE LA TEXTURE GRACE A LA FUSION DE L'IMAGE D'INTENSITE ET DE CELLE DE DISTANCE EST AMORCEE (TOUJOURS EN 2D). ELLE PERMET DE DONNER A LA MACHINE DEUX SENS SUPPLEMENTAIRES ISSUS DE CE MEME CAPTEUR
Author: Nathalie Vincent Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 124
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CETTE THESE MONTRE LES CAPACITES DE LA TELEMETRIE LASER EN PERCEPTION TRIDIMENSIONNELLE POUR DES APPLICATIONS ROBOTIQUES. L'ETUDE EST ESSENTIELLEMENT REALISEE AU TRAVERS D'UN PROJET DE PREPARATION AUTOMATIQUE DE COMMANDES. LES OBJETS A LOCALISER SONT DISPOSES SUR UN ESPACE MAXIMUM DE 400 MM X 400 MM OU UN ROBOT MANIPULATEUR VIENT LES SAISIR. DIFFERENTS PROTOTYPES D'IMAGEURS SONT DEVELOPPES AFIN D'EXECUTER CETTE TACHE DE PERCEPTION. LE PREMIER D'ENTRE EUX, MUNI D'UN DISPOSITIF DE DOUBLE TRANSLATION, A PERMIS DE VALIDER LE CHOIX DU TELEMETRE LASER ET D'ELABORER UN FILTRE CORRECTEUR SPECIFIQUE POUR LE CAPTEUR UTILISE. SA PRECISION LE REND COMPATIBLE AVEC DES APPLICATIONS DE NUMERISATION DE FORMES QUELCONQUES. L'INTRODUCTION D'UN MECANISME DE BALAYAGE PLUS PERFORMANT A AUGMENTE LA RAPIDITE D'ACQUISITION. LA LOCALISATION DES DIFFERENTS OBJETS EST EFFECTUEE PAR DES ALGORITHMES DIFFERENTS SELON LA DISPOSITION DE CEUX-CI DANS L'ESPACE DE SAISIE. LORSQUE LES OBJETS SONT EN VRAC PLANAIRE, UNE FUSION DES DONNEES DU TELEMETRE LASER AVEC DES CAPTEURS ULTRASONORES EST REALISEE. EN VRAC QUELCONQUE, A PARTIR DES SEULES MESURES LASER, LES DIFFERENTES FACES DES OBJETS SONT LOCALISEES. POUR CHACUNE D'ELLES UN CENTRE DE PREHENSION EST ALORS CALCULE, PERMETTANT LA SAISIE PAR UN BRAS MANIPULATEUR MUNI D'UNE VENTOUSE. PLUSIEURS TESTS EFFECTUES EN CONDITIONS REELLES VALIDENT LES DIFFERENTS TRAITEMENTS.
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CETTE THESE PREND EN COMPTE LES CONDITIONS DE REALISATIONS D'UNE ELECTRONIQUE DE RECEPTION D'UN TELEMETRE LASER PAR MESURE DU DEPHASAGE A HAUTE RESOLUTION ET A GRANDE DYNAMIQUE. LA PREMIERE PARTIE PORTE SUR LA MODELISATION DES SOURCES D'ERREUR DU DEPHASAGE EN FONCTION DE L'AMPLITUDE DU SIGNAL PHOTOELECTRIQUE ET DE LA STABILITE EN FREQUENCE DES OSCILLATEURS. ON MODELISE LE CIRCUIT DIFFERENTIEL A EMETTEURS COUPLES EN HAUTE FREQUENCE ET A FORTS NIVEAUX AVEC DEGENERESCENCE SUR LES EMETTEURS. L'ANALYSE EST APPLIQUEE AUX CIRCUITS ECRETEURS, AUX AMPLIFICATEURS A GAIN CONTROLE, PUIS AUX CIRCUITS MELANGEURS. ON DEFINIT LES CONDITIONS POUR QUE L'ERREUR DU DEPHASAGE SOIT INFERIEURE A 0.1 A LA FREQUENCE DE 16.66MHZ. EN PARTICULIER, ON PROPOSE UNE COMPENSATION HARMONIQUE PERMETTANT DE RECUPERER EN SORTIE DU CIRCUIT MELANGEUR, TOUTES LES COMPOSANTES DU SIGNAL ECRETE A UNE FREQUENCE BEAUCOUP PLUS BASSE, ALORS QUE LA TECHNIQUE HETERODYNE CLASSIQUE NE CONSERVE QUE LE FONDAMENTAL DU SIGNAL D'ENTREE. AFIN D'EVITER DES ERREURS DE PHASE LIEES AUX DERIVES EN FREQUENCE DES OSCILLATEURS, UN CIRCUIT STABILISATEUR EST PROPOSE, A BASE D'UNE BOUCLE A VERROUILLAGE DE PHASE ET D'UN ASSERVISSEMENT THERMIQUE DES OSCILLATEURS A QUARTZ. ENFIN, ON DEMONTRE ICI LA FAISABILITE D'UN CIRCUIT EXPANSEUR DE PHASE, PERMETTANT DE MULTIPLIER LA DIFFERENCE DE PHASE ENTRE LE SIGNAL PHOTOELECTRIQUE ET LA REFERENCE PAR UN ENTIER CONNU. CE CIRCUIT, DERIVE DES SYNTHETISEURS DE FREQUENCE PERMET D'OBTENIR DE TRES HAUTES RESOLUTIONS DANS LA MESURE DE DISTANCE. DES ECARTS TEMPORELS DE L'ORDRE DE LA PICO SECONDE DEVIENNENT ALORS MESURABLES A LA FREQUENCE DE 16.66MHZ. LES SOURCES D'ERREURS SONT QUALIFIEES ET DES TECHNIQUES PERMETTANT L'AMELIORATION DE LA RESOLUTION SONT PROPOSEES. L'ENSEMBLE DE L'ETUDE ABOUTIT A LA CONCEPTION GLOBALE D'UNE ELECTRONIQUE DE RECEPTION DU TELEMETRE, PERMETTANT LA MESURE SUR UNE GRANDE PLAGE DE DISTANCE ET AVEC UNE GRANDE RESOLUTION.
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Si les performances des instruments d’exploration de l’Univers continuent de s’améliorer, c’est souvent au prix d’une augmentation de leurs dimensions. Pour le développement de nouveaux télescopes spatiaux, le vol en formation de satellites avec une exactitude de l’ordre de quelques dizaines de microns est alors une nécessité pour l’exploitation des données obtenues avec de tels systèmes. Elle est aussi au cœur d’expériences de physique fondamentale. Mon travail de thèse a porté sur le développement de deux télémètres, T2M et Iliade pouvant répondre à ces besoins. La difficulté dans le développement de ces deux systèmes est de concilier un grand intervalle de mesure de distances avec une grande sensibilité tout en gardant une certaine simplicité et ainsi permettre que ces instruments puissent être embarqués. La performance visée est une mesure de distance de l’ordre du kilomètre exacte à mieux d’un micron. La différence entre T2M et Iliade réside dans leurs conceptions mais aussi dans leurs complexités et les performances visées en termes de résolution. Le télémètre T2M exploite la différence de phase d’une onde modulée en amplitude séparée entre une voie de mesure et une voie de référence. La résolution visée avec ce système est la dizaine de nanomètres. Ce système est capable d’atteindre une grande exactitude du fait que la mesure de distance est déduite d’une mesure de fréquence. Les problèmes d’erreurs cycliques inhérentes à l’utilisation de ce type de techniques sont éliminés par un système d’aiguillage optique permettant d’échanger les faisceaux propres aux deux voies de télémétrie en regard des deux voies de détection. Après la stabilisation du battement de fréquences des deux lasers, mon travail a porté sur l’amélioration de la résolution et sur l’élimination des diverses sources d’erreurs affectant l’exactitude. Les objectifs fixés semblent être atteints et les résultats obtenus sont très encourageants pour les futurs tests et développement à réaliser. Le télémètre Iliade combine une mesure de temps de vol d’impulsions laser et une mesure interférométrique à deux longueurs d’onde. Au prix d’une sophistication un peu plus importante que T2M, la résolution visée est inférieure au nanomètre. La caractérisation de la source d’impulsions d’Iliade présentant un taux de répétition de 20 GHz, a permis de montrer que la gigue temporelle de 65 fs à sa sortie est principalement due au bruit de phase du battement initial de deux lasers monomodes. J’ai travaillé sur une cavité Fabry Perot fibrée pour pré-stabiliser le rayonnement d’un laser monomode. J’ai démontré une technique permettent d’obtenir un signal d’erreur de type dispersif, sans recourir à une modulation. Enfin, j’ai étudie une méthode numérique basée sur l’analyse harmonique permettant d’assurer une mesure de différence de phase avec une exactitude de 10 [puissance]-5 radian, Le télémètre Iliade est actuellement en cours de développement.
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Cette thèse se situe dans la lignée d’un projet de télémètre à balayage de longueur d’onde de grande précision sur une grande plage de distances, et capable de mesurer simultanément deux cibles, voire plus, avec la même performance. Les objectifs de cette thèse étaient l’amélioration de la résolution pour atteindre une Incertitude Relative à 1σ de 10-6, puis le test du système avec deux cibles simultanées dans diverses configurations, notamment pour déterminer la séparabilité. Les limitations possibles sur la résolution finale d’un tel système sont principalement les turbulences et vibrations sur la différence de marche (ddm) cible au cours d’une mesure, ainsi que le choix du traitement, pour la résolution ; la stabilité thermique et la dispersion dans l’interféromètre de référence pour la précision et la répétabilité.L’interféromètre de référence est un Mach-Zehnder avec deux fibres optiques dont les revêtements ont un comportement thermique différent (acrylate et cuivre). Le Mach-Zehnder athermal réalisé présente une ddm de 1m et une variation relative de l’ordre de quelques 10-7 par degré sur une plage de 10 à 40°C, soit un gain d’un facteur 30 par rapport à un Mach-Zehnder entièrement en fibre à revêtement en acrylate.L’analyse du balayage en longueur d’onde a fait apparaître la présence de non-linéarités d’amplitude assez importante mais quasi – périodiques, que nous avons simulé par une somme de sinusoïdes. Nous avons souligné ainsi l’importance de plusieurs paramètres pour un traitement par Transformée de Fourier (TTF), comme la largeur du filtre fréquentiel, l’amplitude et la fréquence des non-linéarités, et la ddm de référence.Expérimentalement, nous avons pu obtenir des Incertitudes Relatives à 1σ de l’ordre de 10-6 pour des distances de 1 à 20m, pour une ou deux cibles simultanées, par TTF. Cependant les non-linéarités limitent sérieusement la séparabilité de deux cibles avec ce traitement. Un échantillonnage non-uniforme sur les passages à zéro du signal référence permet de décorréler les spectres de deux cibles séparées de 1mm, avec une Incertitude Relative à 1σ de l’ordre de 10-6 par TTF, c’est-à-dire sans dégradation de la résolution pour chaque distance. Il permet aussi d’améliorer la résolution d’une méthode paramétrique autorégressive, mais celle-ci reste inférieure à la TTF. En contrepartie, il limite les distances mesurables en fonction de la différence de marche du Mach-Zehnder de référence.
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Au-delà de son utilisation en géophysique ou en métrologie à grande échelle, la télémétrie laser des longues distances devrait trouver de nombreuses applications pour les missions spatiales. Les instruments d'observation par synthèse ouverture en vols en formation demandent que la géométrie de la constellation soit connue et contrôlée à bien mieux que la longueur d'onde de la fenêtre d'observation. Pour répondre à ces besoins, nous avons étudié un nouveau schéma de mesure qui combine une mesure interférométrique, réalisée sur un faisceau à deux modes et une mesure de temps de vols. Mon travail de thèse a porté sur la conception, mise en œuvre et la caractérisation de la mesure interférométrique. Pour qu'elles ne soient pas affectées par les dérives lentes de l'instrumentation microonde, les deux mesures de phase de longueur d'onde optique (1.55 μm) et de longueur d'onde synthétique (15 mm) sont extraites d'un même signal d'interférence à deux modes en utilisant une procédure de mesure dédiée : on réalise des mesures du signal d'interférence à trois valeurs de la fréquence optique de la source, calculées d'après le résultat de la mesure de temps de vol. Le télémètre met à profit les propriétés du signal d'interférence à deux modes et exploite la phase et l'amplitude du signal à 20 GHz de façon à éliminer les dérives de phase à long terme du signal microonde dans les chaînes de mesure. On peut en attendre, en moins de 0.1 s, une mesure de résolution et d'exactitude inférieures au nanomètre. Le montage expérimental a permis de montrer que le principe de mesure est correct. Sur la mesure d'un chemin optique dans l'air, nous avons obtenu une résolution de 100 pm à 100 μs, qui nous permet d'observer le bruit acoustique. Le bruit sur la mesure des signaux permet d'espérer une résolution de à 10 pm à 43 ms. Les imperfections optiques du montage ont été mises en évidence: elles ont été décrites par une expression analytique, puis à l'aide d'optiques dédiées réduites au niveau nécessaire pour le fonctionnement de l'instrument. La phase des signaux de battement à 20 GHz est affectée d'erreurs de plusieurs 10-3 cycles qui, si elles ne sont pas corrigées, provoquent des erreurs de la mesure de longueur par une ou plusieurs fois la longueur d'onde optique. Nous avons réalisé une étude spécifique du couplage amplitude-phase à l'origine de cette déformation, et montré qu'il est en partie d'origine thermique, lié à la puissance de plusieurs kW/cm2 dissipée dans les photodiodes à 20 GHz. Cet effet, voisin de ce qui est connu depuis quelques années en instrumentation microonde sous le nom d' "effet mémoire", est difficile à prendre en compte et la correction qui est faite sur les données ne parvient pas totalement à éviter que le télémètre délivre des valeurs erronées de la distance. En conclusion de ce mémoire deux options sont présentées afin de remédier à cette déformation du signal et d'aboutir à un instrument de haute exactitude.
Author: GILLES.. ALLEGRE
Author: GILLES.. ALLEGRE
Author: Gilles Allegre (enseignant-chercheur en physique).)
Author: Armando Albertazzi
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Author: Nathalie Vincent
Author: Guillaume Perchet
Author: Clément Courde
Author: Bertrand QUELLEC-AUTRET
Author: Luc Perret
Author: Duy-Hà Phung