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Perception

Comment fonctionnent les capteurs des robots : LiDAR, caméras de profondeur, centrales inertielles et capteurs d’effort

Les robots voient et ressentent le monde grâce à leurs capteurs. Comprenez le LiDAR, les caméras de profondeur stéréo et à lumière structurée, les centrales inertielles et les capteurs d’effort, et à quoi sert chacun.

Les capteurs donnent au robot une image du monde et de son propre corps. Les fiches techniques se contentent souvent d’indiquer « LiDAR : oui » ou « caméra de profondeur : oui » ; ce guide explique ce que cela signifie en pratique.

LiDAR

Un LiDAR mesure les distances grâce à la lumière : il émet des impulsions laser et chronomètre le temps qu’elles mettent à revenir (temps de vol). En faisant tourner ou balayer le faisceau, on obtient un nuage de points, des milliers de points 3D autour du robot. Le LiDAR fonctionne dans l’obscurité et fournit des distances précises, ce qui en fait le capteur principal pour la cartographie et l’évitement d’obstacles sur les robots mobiles et les quadrupèdes. La pluie, le brouillard, le verre et les surfaces très sombres peuvent le perturber.

Schéma d’une impulsion lumineuse allant d’un capteur à une cible puis revenant, avec la formule distance égale vitesse de la lumière multipliée par le temps, divisé par deux.
Schéma du principe du temps de vol : une impulsion lumineuse va jusqu’à une cible et revient ; la distance est égale à la vitesse de la lumière multipliée par le temps d’aller-retour, divisé par deux. (RCraig09 (s’ouvre dans un nouvel onglet), CC BY-SA 4.0 (s’ouvre dans un nouvel onglet))

Caméras de profondeur

Les caméras de profondeur fournissent une image dont chaque pixel porte une distance.

  • Les caméras stéréo comparent deux images, comme les yeux humains ; elles fonctionnent en extérieur mais ont besoin d’une scène texturée.
  • La lumière structurée projette un motif connu et analyse sa déformation ; très précise à courte distance, elle sert souvent au prélèvement d’objets.
  • Les caméras à temps de vol chronomètrent des impulsions lumineuses pour chaque pixel.
Deux plans image de caméras observant le même point de l’espace, avec les lignes de visée et la droite épipolaire tracées entre les deux vues.
Schéma de la géométrie épipolaire en stéréovision : un point 3D se projette dans les vues des caméras gauche et droite, et l’ambiguïté de profondeur le long d’un rayon de visée d’une vue correspond à une droite épipolaire dans l’autre. (Arne Nordmann (norro) (s’ouvre dans un nouvel onglet), CC BY-SA 3.0 (s’ouvre dans un nouvel onglet))

Centrale inertielle : équilibre et orientation

Une centrale inertielle (IMU) combine des accéléromètres et des gyroscopes (souvent des puces MEMS) pour mesurer l’accélération et la rotation. Les robots marcheurs en dépendent pour savoir où se trouve le bas et à quelle vitesse ils basculent ; les robots mobiles la combinent à l’odométrie des roues pour estimer leur mouvement entre deux balayages LiDAR.

Capteurs d’effort

Un capteur d’effort (capteur force-couple), généralement monté entre le poignet du bras et son outil, mesure les forces de poussée et les couples de torsion dans toutes les directions. À l’intérieur, des jauges de déformation ou des éléments capacitifs détectent d’infimes déformations d’un corps métallique. Il permet aux robots de polir, d’assembler et d’insérer des pièces en douceur, et aide à détecter les collisions.

Dessin d’une jauge de déformation à trame pelliculaire avec une piste métallique en zigzag, représentée étirée et comprimée, sa résistance augmentant ou diminuant.
Illustration d’une jauge de déformation à trame pelliculaire dont la résistance augmente lorsque le support est étiré et diminue lorsqu’il est comprimé. (Izantux (s’ouvre dans un nouvel onglet), CC0 1.0 (s’ouvre dans un nouvel onglet))

Toucher et autres sens

Les préhenseurs et les mains robotiques ajoutent des capteurs tactiles, et de nombreux robots embarquent des microphones, des caméras thermiques ou des capteurs de gaz pour les missions d’inspection.

Découvrez les LiDAR, les caméras et les capteurs d’effort du catalogue de pièces, ainsi que leurs fabricants dans l’annuaire.

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