3.3 Projet TRIDICAM

3.3.1 Bilan

En relation avec l'effort conduit au LAAS dans le cadre des microtechnologies et des microsystèmes, le groupe RIA a commencé en octobre 1993 [G-3] l'étude d'un microsystème de perception 3D. Cette étude, qui est menée en collaboration avec les groupes MIS et CSC, les services II et TEAM du LAAS et le laboratoire d'Electronique de l'ENSEEIHT/INPT, se situe dans l'optique de l'augmentation des capacités des robots mobiles du LAAS par l'adjonction de microsystèmes multiples.

Le projet TRIDICAM a pour objectif l'étude et le développement d'un prototype d'une microcaméra à vision tridimensionnelle (figure ) [I-8,I-20]. Cette caméra permettra d'obtenir des images vidéo corrélées avec des informations de profondeur, de façon à pouvoir associer à tout point de la scène observée ses coordonnées relatives dans l'espace. Ceci sera obtenu par intégration d'une microcaméra laser 3D dont le système de déflexion du faisceau laser est assuré par des micromiroirs silicium, et d'une microcaméra vidéo pour former un véritable système de perception 3D intelligent.

Figure: Schéma de principe de la microcaméra laser

Son originalité se situe essentiellement à deux niveaux :

• L'approche microsystèmes adoptée permet d'obtenir une caméra laser 3D de faibles dimensions par rapport à celles disponibles sur le marché. Il est à noter que c'est l'un des premiers microsystèmes «complet» intégrant : systèmes électromagnétiques, électronique analogique et numérique, traitement du signal, etc.
• L'utilisation de micromiroirs silicium remplace avantageusement les dispositifs classiques de déviation du faisceau laser basés généralement sur un miroir galvanique oscillant et un prisme tournant ^3.1.

Caractéristiques :

Les micromiroirs:

dimensions = $4\,$mm$\times 4\,$mm ; fréquence de résonance = $400\,$Hz ; déviation statique = $\pm 3\,$degrés ; déviation à la résonance = $17\,$degrés ;

Bilan de liaison:

$P_{\text{reçue}} = 4\,\text{nW}$ à 5m, pour 1mW émis ; divergence faisceau laser = quelques mradians ;

Portée:

7m (3mW) ; 17m (18mW) ;

Précision:

2cm à 2m (erreur sur la phase de 0.35$^\circ$) ;

Taille de l'image 3D:

4096 points codés sur 10 bits ;

Acquisition:

2 images par seconde.

Figure: Schéma de principe du télémètre laser par déphasage utilisant une technique hétérodyne. Les filtres passe-bande accordés sur la fréquence intermédiaire permettent d'améliorer le rapport signal sur bruit du signal photoélectrique

Le principe général de fonctionnement de la microcaméra laser 3D est basé sur un système de balayage deux axes et sur la mesure de distance par déphasage du signal optique rétrodiffusé (figure ) [I-26,I-31].

Une première maquette sur table a été réalisée pour valider les concepts. Un prototype est actuellement en phase de test avant son implantation sur un robot mobile (figure ).

Figure: Prototype

Figure: Micromiroir (montage CMS)

Le système de balayage est assuré par 2 micromiroirs silicium micro-usinés (figure ) [I-25]. Il est à noter que cette caméra est conçue dans un esprit microsystème à partir de composants tout silicium dans la perspective à terme d'une très grande intégration.

Plusieurs modes de fonctionnement sont possibles :

• commande en boucle ouverte des micromiroirs : balayage en spirale,
• commande asservie des micromiroirs : visée d'un point précis.

Cette commande est de type robuste par placement de pôles [I-9,I-10,K-56]. L'algorithme de commande, qui comporte 11 multiplications, 10 additions et une racine carrée, a été implanté sur un FPGA (figure ). Les résultats expérimentaux (figure ), proches de ceux de simulation, montrent que le temps de réponse est de l'ordre de 5ms, alors qu'en boucle ouverte ce temps est de 80ms.

Figure: Schéma du calculateur

Figure: Réponse temporelle expérimentale de l'asservissement de position du micromiroir avec l'algorithme récursif implanté sur le FPGA

Pour pouvoir faciliter l'implantation des algorithmes de traitement sur FPGA, il a été abordé le problème de la synthèse architecturale automatique. L'outil SynthArchi qui a été développé [G-20] exécute ce type de synthèse à partir d'une description VHDL de haut niveau. Ce fichier est compilé pour obtenir un fichier écrit en VHDL RTL synthétisable. La compilation proposée comprend plusieurs parties : une analyse lexicale et syntaxique de la description VHDL de départ, un flot « basique » pour obtenir une version non optimisée de l'implantation de l'algorithme, et une phase d'optimisation pour améliorer la fréquence de fonctionnement du circuit.

3.3.2 Prospective

3.3.2.0.1 Projet TRIDICAM

• Amélioration des performances
  1. Précision et champ de vision
  2. Intégration du contrôle de position
  3. Intégration de la caméra vidéo
• Intégration des composants conçus et fabriqués au LAAS-CNRS
  1. Micromiroirs silicium
  2. Photodiode
• Montage de la caméra sur un robot et exploitation de l'image de profondeur
• Recherche d'un partenariat industriel pour obtenir un produit commercialisable avec une miniaturisation plus poussée (microsystème)

3.3.2.0.2 Câblage d'algorithmes

Les travaux effectués dans le cadre précédent ont permis de faire émerger dans notre groupe un nouveau thème de recherche orienté vers le câblage d'algorithmes pour le traitement rapide d'image. Ce thème, soutenu par la Région Midi-Pyrénées, est mené en collaboration avec l'Université de Mondragon (Espagne) avec la participation d'industriels français et espagnols. Le premier objectif a pour but de construire une bibliothèque de fonctions de base (convolution, morphologie, segmentation...) qui sera utilisée pour réaliser des traitements complexes par enchaînement de ces opérateurs. Ce travail doit permettre de dégager des règles méthodologiques d'implantation qui seront ensuite utilisées dans les deux axes : la configuration dynamique des circuits numériques et la conception simultanée matérielle-logicielle (co-design).