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« Aucune technologie lidar ne pourra s’imposer face aux autres au cours des dix prochaines années »

Publié le 22 novembre 2019 à 09:37 par Pierrick Arlot        Sous-système

Avis d'expert

[TRIBUNE de Nilushi Wijeyasinghe, IDTechEx] Alors que les marchés du lidar évoluent rapidement, la société d’études IDTechEx suit plus d’une centaine de sociétés focalisées sur les technologies lidar 3D de par le monde. Chacun de ces entreprises prétend proposer un produit hautement innovant de nouvelle génération, supérieur aux approches concurrentes. Nilushi Wijeyasinghe, analyste chez IDTechEx, fait ici le point sur les préoccupations et les idées fausses liées aux technologies lidar.

Qu’est-ce que la technologie lidar ?
Le lidar est une technologie de capteur optique qui permet aux robots et systèmes autonomes de percevoir leur environnement, de prendre des décisions et de naviguer. Les robots qui effectuent des tâches simples peuvent utiliser des capteurs lidar qui mesurent l'espace dans une ou deux dimensions, mais un lidar tridimensionnel (3D) est utile pour les robots avancés conçus pour simuler le comportement humain. La voiture autonome est l’un de ces robots avancés, où le conducteur humain est remplacé par le lidar et d'autres technologies pour véhicules autonomes. Les systèmes lidar 3D émettent des faisceaux lumineux dans les trois dimensions pour créer un modèle virtuel de l'environnement. Les signaux lumineux réfléchis sont mesurés et traités par le véhicule pour détecter et identifier des objets, puis décider de la manière dont ils doivent interagir avec ces objets ou les éviter.
 
Jusqu’à quelle distance la technologie lidar peut-elle détecter ?
La plage de détection des objets dépend du choix du processus de mesure (qui détermine la manière dont le signal lumineux est généré et comment il est mesuré), mais aussi du laser, du mécanisme de guidage du faisceau et du photodétecteur. Ces quatre choix technologiques fondamentaux impactent les performances du produit final. Les lidars 3D à courte portée, conçus pour les véhicules de faible vitesse en milieu urbain, ont généralement une portée de 50 mètres ou moins. Les lidars à longue portée pour véhicules se déplaçant à grande vitesse sur autoroute peuvent atteindre une distance de 200 mètres ou plus.
 
Que peuvent distinguer les lidars ?
Le lidar 3D peut déterminer la position, la taille et la forme des objets. De nombreux lidars peuvent identifier si l'objet est un piéton ou un cycliste, tandis que les lidars à haute résolution peuvent lire du texte dans certains cas. Le lidar à ondes entretenues à modulation de fréquence (FMCW) est une technologie émergente sur le marché des véhicules autonomes. A la différence des lidars à détection par temps de vol (TOF) conventionnels, le lidar FMCW peut rivaliser avec la technologie radar en détectant la vitesse des objets en temps réel. Les lidars ne peuvent pas distinguer les couleurs.
 
La technologie lidar peut-elle voir la nuit ?
Oui, le lidar 3D dispose d’une vision nocturne supérieure à celles des conducteurs humains et des caméras standard. Permettre une conduite en toute sécurité dans des environnements mal éclairés et dans l’obscurité est une motivation clé pour les constructeurs automobiles qui adoptent la technologie lidar.
 
La technologie lidar est-elle adaptée au mauvais temps ?
Le lidar 3D est plus performant par mauvais temps que les conducteurs humains et les caméras standard. Cependant, les performances dans de piètres conditions météorologiques dépendent de la conception du système lidar. Par exemple, le brouillard affecte davantage les lidars fonctionnant dans le proche infrarouge (NIR) que les lidars infrarouges à ondes courtes (SWIR) car la lumière SWIR est moins dispersée par le brouillard que la lumière NIR.
 
Un capteur lidar peut-il être perturbé par des capteurs lidar situés à proximité ?
C'est possible, mais chaque système lidar 3D est conçu pour isoler ses propres signaux du bruit de fond. Comparé à la technologie lidar TOF conventionnelle, le lidar FMCW permet un meilleur codage du signal afin de minimiser les risques d'interférence.
 
Une technologie lidar peut-elle s’imposer par rapport à d’autres ?
Selon la modélisation du marché développée par IDTechEx, cela ne peut pas se produire au cours de la prochaine décennie. La technologie lidar 3D idéale dépend du type de véhicule, de son niveau d'autonomie et de ses conditions de fonctionnement typiques.
 
Le coût du lidar est-il un frein à son adoption ?
Selon l'analyse de marché réalisée par IDTechEx, le prix moyen d'un module lidar 3D en 2019 est de 10 500 dollars. Cependant, les prix unitaires devraient rapidement diminuer au cours de la prochaine décennie avec la maturité des technologies lidar et l’augmentation des cadences de production. Selon nos prévisions, le marché mondial du lidar 3D dans les véhicules autonomes atteindra 5,4 milliards de dollars d’ici à 2030.
 
Vous évoquiez les quatre choix technologiques fondamentaux que doit faire chaque entreprise positionnée sur le marché du lidar. Qu’en est-il du processus de mesure et du laser ?
Le processus de mesure détermine comment le signal lumineux est généré et comment il est mesuré. La plupart des fabricants de lidars développent des technologies TOF (Time Of Flight) conventionnelles, mais on observe une tendance à l’émergence de lidars FMCW. Toutefois, la maturité technologique de ces derniers est faible et les entreprises qui développent des lidars à modulation de fréquence doivent sécuriser des investissements importants et nouer des partenariats industriels solides pour soutenir leurs activités jusqu’à la mise sur le marché de leurs produits.
Pour le laser il faut sélectionner une source de lumière et une longueur d'onde. Le lidar SWIR est considéré comme moins dangereux pour l’œil humain que le lidar NIR fonctionnant à des longueurs d'onde plus courtes. La plupart des entreprises s’appuient sur la technologie NIR conventionnelle, mais la tendance est clairement à l’émergence de lidars SWIR, car ces derniers peuvent fonctionner en toute sécurité avec une puissance supérieure et détecter des objets distants.
 
Le mécanisme de guidage du faisceau est une composante essentielle du lidar…
La lumière du laser doit être diffusée ou doit balayer l’environnement par une technologie de guidage du faisceau pour éclairer la scène. Le lidar automobile classique utilise un ensemble mécanique rotatif pour que les faisceaux laser balaient la scène à 360°, ce qui permet au véhicule de voir autour de lui à l’aide d’un seul lidar monté sur le toit. Ces lidars mécaniques rotatifs sont volumineux, coûteux et sujets aux pannes mécaniques. La tendance technologique est donc à la conception de modules plus petits, peu coûteux et stables.
Les approches émergentes pour le balayage du faisceau incluent des systèmes mécaniques à mouvement limité, des systèmes micromécaniques reposant sur des miroirs Mems et des systèmes purement semi-conducteurs. A ce titre, le lidar à semi-conducteurs est attrayant pour les constructeurs automobiles, car le capteur est un dispositif compact et robuste, facile à intégrer à bord des véhicules.
Le lidar flash 3D est un type de lidar état solide qui éclaire généralement la scène entière en une fois, comme une caméra. Cette technique permet une imagerie rapide sans distorsion, mais la plage de détection typique des objets est plus courte que celle du lidar à balayage en raison des limites de puissance du laser.
Le lidar à balayage à semi-conducteurs a le potentiel de rivaliser avec les performances du lidar micromécanique, mais sa maturité technologique est trop faible pour les véhicules de production à court terme. Parmi les options de balayage pour les lidars à semi-conducteurs, on citera les réseaux de phase optiques (OPA) qui s’appuient sur la photonique sur silicium, diverses structures à cristaux liquides et le balayage en longueur d'onde via une optique de type prisme.
 
Finissons par le photodétecteur…
Effectivement un choix doit aussi être fait quant à la façon dont le détecteur mesure la lumière réfléchie. Il est important de noter que le matériau semi-conducteur du détecteur qui absorbe la lumière doit correspondre à la longueur d'onde du laser. Les détecteurs à comptage de photon unique constituent ici une nouvelle approche technologique qui permet aux lidars d’enregistrer rapidement les signaux et de détecter les signaux faibles réfléchis par des objets distants.

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