Nouvelles technologies de détection : le pouvoir de l'ingénierie mécanique

I. Perception de la pose

La perception de la pose est obtenue par l'utilisation combinée de capteurs de position sans contact et de capteurs d'attitude pour suivre les changements de position spatiale et d'orientation d'un objet.

1) Capteurs de position sans contact

Contrairement aux capteurs de position à contact, les capteurs de position sans contact sont conçus et fabriqués à l'aide de technologies telles que l'effet Hall, la magnétorésistance, les principes d'induction électromagnétique et les principes de capacité. Ces capteurs ne subissent pas de frottement relatif, ce qui augmente leur durée de vie.

Au cours des dernières décennies, les potentiomètres ont été utilisés pour les mesures de position et d'angle en raison de leur conception simple, de leur technologie de fabrication éprouvée et de leur faible coût.

Cependant, leurs limites inhérentes ont également entravé leur développement. Il y a plus de dix ans, des fabricants internationaux de pièces automobiles de renom ont commencé à consacrer des efforts de recherche et de développement aux capteurs de position sans contact.

2) Capteurs de position inductifs

Les capteurs de position inductifs fonctionnent selon le principe de l'induction électromagnétique, qui génère un courant induit dans un conducteur faisant partie d'un circuit fermé lorsqu'il se déplace pour couper les lignes de champ magnétique.

Comme les autres capteurs d'angle, ils se composent d'un stator et d'un rotor. Il existe généralement deux types de capteurs de position inductifs.

Le premier type est celui du bobinage, qui nécessite un grand noyau de fer pour enrouler la bobine inductive. Ce type est de grande taille, de structure complexe et nécessite un circuit de conditionnement du signal en aval.

Malgré sa grande précision de mesure, il est relativement coûteux et est actuellement principalement utilisé pour la mesure du couple dans les systèmes EPS, avec des produits de ce type disponibles à la fois chez KOYO et NSK.

Le deuxième type est celui des bobines planaires. Le stator d'un capteur inductif à bobine planaire se compose d'une excitation planaire, de bobines de réception et de composants électroniques, y compris un circuit imprimé standard et un ASIC.

Le rotor est constitué d'un morceau de fil conducteur estampé avec une forme géométrique spécifique (fabriqué à partir d'un matériau conducteur ou de composants de circuits imprimés).

Actuellement, les capteurs de position mis au point par la société allemande Hella à l'aide de la technologie des capteurs de position à bobine planaire sont largement utilisés pour le retour d'angle dans les pédales d'accélérateur et les actionneurs.

Les capteurs de position à bobine planaire ont une structure de conception relativement simple. Le stator sur le circuit imprimé se compose d'une bobine d'excitation, de trois bobines de réception inductives et d'autres composants électroniques de traitement des signaux, tandis que le rotor est une simple pièce métallique estampée.

La clé des capteurs de position inductifs ne réside pas dans la conception de graphiques de bobines planaires, mais dans la technologie des puces personnalisées.

L'unité de traitement des signaux de la puce accepte les signaux de tension provenant de la bobine, les redresse et les amplifie, et les émet proportionnellement par paires.

Les signaux de sortie comprennent des signaux analogiques, des signaux de modulation d'impulsions et des communications par bus. Ils peuvent fonctionner dans une plage de température de -40 à +50 degrés Celsius et résister à des vibrations allant jusqu'à 30g, ce qui démontre leur excellente fiabilité, leur longévité et leur résistance à l'humidité.

Ils peuvent également fonctionner sous diverses formes de champs électromagnétiques. Les défis de fabrication des capteurs de position inductifs se situent au niveau des techniques de gravure chimique pour les bobines planaires et de la technologie d'emballage de l'unité de traitement des signaux personnalisée.

Sans l'utilisation de puces personnalisées, les coûts seraient nettement plus élevés.

Les capteurs de position inductifs offrent les avantages suivants : ils sont peu affectés par les tolérances mécaniques, ne nécessitent pas de réglages de compensation de température, n'ont pas besoin de matériaux magnétiques supplémentaires et sont insensibles aux interférences des champs magnétiques et des signaux électriques.

Ils peuvent répondre à toutes les exigences en matière de compatibilité électromagnétique dans les automobiles, mesurer des angles allant jusqu'à 360 degrés, voire plus, et sont très flexibles.

Ils peuvent mesurer à la fois le déplacement angulaire et le déplacement linéaire. Les capteurs conservent une précision de 1% pendant toute leur durée de vie et sur toute la plage de température.

Dans les dispositifs électromécaniques, cette technologie permet d'intégrer les capteurs à d'autres composants électroniques sur le même circuit imprimé.

La simplicité d'implantation des capteurs Hella est l'une de leurs plus grandes forces, car leur intégration dans les unités de contrôle ne nécessite pas de boîtiers ou de faisceaux de câbles supplémentaires. Cela simplifie le câblage et réduit le nombre de connecteurs, ce qui améliore encore la fiabilité.

3) Capteurs d'attitude

Les capteurs d'attitude sont des systèmes de mesure de la posture et du mouvement tridimensionnel très performants, basés sur la technologie MEMS.

Ils comprennent des capteurs de mouvement auxiliaires tels que des gyroscopes à trois axes, des accéléromètres à trois axes et des compas électroniques à trois axes, qui fournissent des données calibrées sur la vitesse angulaire, l'accélération et le magnétisme par l'intermédiaire d'un processeur ARM intégré à faible consommation d'énergie.

Le système mesure la posture du mouvement à l'aide d'algorithmes de données de capteurs basés sur les quaternions et fournit en temps réel des données de posture tridimensionnelles à dérive nulle représentées en quaternions et en angles d'Euler.

Les capteurs d'attitude sont largement utilisés dans les produits et les dispositifs qui nécessitent une mesure de la posture tridimensionnelle à faible coût et à haute dynamique, tels que les modèles réduits de drones, les robots, les plateformes d'antennes, l'énergie solaire concentrée, les équipements terrestres et sous-marins, la réalité virtuelle et l'analyse des mouvements humains.

Un gyroscope est un dispositif qui détecte les mouvements angulaires autour d'un ou deux axes orthogonaux à l'axe de rotation, en utilisant la quantité de mouvement d'un corps tournant à grande vitesse et sa coque sensible par rapport à l'espace inertiel.

Les appareils qui remplissent la même fonction, mais qui sont fabriqués selon d'autres principes, sont également appelés gyroscopes. (Figure 1)

2. Détection flexible

Actuellement, divers capteurs sont largement utilisés dans de nombreux dispositifs de détection intelligents. Leurs applications s'étendent à des domaines tels que la production industrielle, l'exploration des océans, la protection de l'environnement, le diagnostic médical, la bio-ingénierie, le développement spatial et les maisons intelligentes.

À mesure que les exigences de l'ère de l'information augmentent, les attentes concernant les paramètres de performance tels que la portée, la précision et la stabilité des informations mesurées s'accroissent progressivement.

Cela a posé de nouveaux défis aux capteurs standard, notamment en ce qui concerne les exigences de mesure des gaz, de la pression et de l'humidité dans des environnements et des signaux particuliers.

En réponse au nombre croissant de signaux et d'environnements spéciaux, de nouvelles technologies de capteurs ont été développées selon les tendances suivantes : le développement de la technologie de l'information et de la communication (TIC) et la mise au point d'un système d'alerte rapide. nouveaux matériauxLa mise au point de nouvelles technologies, de nouveaux procédés et de capteurs innovants ; l'intégration et l'intelligence des capteurs ; la miniaturisation des systèmes matériels et des composants de la technologie des capteurs ; et l'intégration des capteurs dans d'autres disciplines.

Dans le même temps, il existe un désir de capteurs transparents, flexibles, extensibles, capables de se plier librement ou même d'être pliés, portables et portables. Les progrès réalisés dans le domaine des substrats flexibles ont permis l'émergence de capteurs flexibles répondant à toutes ces caractéristiques.

1) Caractéristiques des capteurs flexibles

Les matériaux souples, contrairement aux matériaux rigides, présentent généralement des propriétés telles que la souplesse, un faible module et la facilité de déformation. Les matériaux souples les plus courants sont l'alcool polyvinylique (PVA), le polyester (PET), le polyimide (PI), le polyéthylène naphtalate (PEN), les feuilles de papier et les matériaux textiles.

Les capteurs flexibles sont fabriqués à partir de ces matériaux souples, qui offrent une excellente flexibilité, une grande extensibilité et même la possibilité de se plier ou de se replier librement.

Grâce à diverses conceptions structurelles, ils peuvent être disposés selon les besoins, en fonction des conditions de mesure, ce qui facilite l'inspection de sujets complexes.

Ces nouveaux capteurs flexibles sont largement utilisés dans divers domaines tels que la peau électronique, les soins de santé, l'électronique, l'ingénierie électrique, les équipements sportifs, les textiles, l'aérospatiale et la surveillance de l'environnement.

2) Classification des capteurs flexibles

Les capteurs souples sont très divers et font l'objet de différentes méthodes de catégorisation. Classés par utilisation, les capteurs flexibles comprennent les capteurs de pression, les capteurs de gaz (pour la détection d'alcool), les capteurs d'humidité (pour les prévisions météorologiques), les capteurs de température (comme les thermomètres), les capteurs de déformation, les capteurs magnétorésistifs et les capteurs de flux thermique (pour les réfrigérateurs).

Classés en fonction de leur mécanisme de détection, les capteurs souples comprennent les types résistif, capacitif, magnétopressif et inductif.

3) Capteurs flexibles courants

(1) Capteurs de gaz flexibles

Les capteurs de gaz flexibles utilisent des matériaux en couches minces sensibles au gaz, disposés sur la surface de l'électrode, avec un substrat flexible.

Ils se caractérisent par leur légèreté, leur flexibilité, leur capacité à se plier facilement et leur potentiel de production à grande échelle. Les matériaux en couches minces sont réputés pour leur grande sensibilité et leur processus de fabrication relativement simple, ce qui leur vaut une grande attention.

Cela répond parfaitement aux exigences de portabilité et de faible consommation des capteurs de gaz dans des environnements spéciaux, en surmontant les limites traditionnelles des capteurs de gaz, telles que leur manque de portabilité, leur plage de mesure incomplète, leur petite taille et leur coût élevé. Ils peuvent effectuer une détection simple et précise des gaz NH, NO et éthanol, attirant ainsi l'attention du plus grand nombre.

(2) Capteurs de pression flexibles

Les capteurs de pression flexibles sont largement utilisés dans des domaines tels que les vêtements intelligents, les sports intelligents et la "peau" robotique.

Le fluorure de polyvinylidène, le caoutchouc de silicone et le polyimide, utilisés comme matériaux de base, ont été largement employés dans la fabrication de capteurs de pression flexibles.

Ces matériaux se distinguent des capteurs de force utilisant des jauges de contrainte métalliques et des capteurs de pression à diffusion courants utilisant des puces semi-conductrices de type n, en offrant une flexibilité, une conductivité et des caractéristiques piézorésistives supérieures. (Figure 2)

(3) Capteur d'humidité flexible

Les capteurs d'humidité sont principalement de deux types : résistifs et capacitifs. Les hygromètres, caractérisés par une couche sensible à l'humidité enduite sur le substrat, subissent des changements de résistance et de résistivité lorsque la vapeur d'eau contenue dans l'air est absorbée par le film sensible à l'humidité.

Cette propriété peut être utilisée pour mesurer l'humidité. Les condensateurs hygroscopiques sont généralement constitués de films polymères, les matériaux les plus courants étant le polystyrène, le polyimide et le butyrate d'acétate de cellulose.

Les capteurs d'humidité évoluent rapidement, passant de simples composants hygroscopiques à des dispositifs de détection intégrés, intelligents et multiparamétriques. Les hygromètres traditionnels à bulbe sec et humide ou les hygromètres à cheveux ne sont plus en mesure de répondre aux besoins de la science moderne.

Les capteurs d'humidité flexibles, en raison de leur faible coût, de leur faible consommation d'énergie, de leur facilité de fabrication et de leur intégration dans des systèmes intelligents, ont fait l'objet de nombreuses recherches.

Le matériau de base pour la fabrication de ces capteurs d'humidité flexibles est similaire à celui d'autres capteurs flexibles, et il existe de nombreuses méthodes pour fabriquer le film sensible à l'humidité, notamment le revêtement par immersion, le revêtement par centrifugation, la sérigraphie et l'impression à jet d'encre.

Les structures de capteurs flexibles sont polyvalentes et peuvent être agencées pour répondre aux exigences des conditions de mesure. Elles peuvent mesurer de manière pratique et précise des environnements et des signaux particuliers, ce qui permet de résoudre les problèmes de miniaturisation, d'intégration et de développement intelligent des capteurs.

Ces nouveaux capteurs flexibles jouent un rôle crucial dans la peau électronique, la biomédecine, les produits électroniques portables et l'aérospatiale. Cependant, le niveau actuel de la technologie de préparation de matériaux tels que les nanotubes de carbone et le graphène pour les capteurs flexibles est immature, et les problèmes liés au coût, à la gamme d'applications et à la durée de vie persistent.

Les substrats flexibles courants ne sont pas résistants à la chaleur, ce qui entraîne des contraintes élevées et une faible adhérence entre le substrat flexible et le matériau du film. Les techniques d'assemblage, d'agencement, d'intégration et d'emballage des capteurs flexibles doivent également être améliorées.

4) Matériaux courants pour les capteurs flexibles

(1) Substrats flexibles

Pour répondre aux besoins des appareils électroniques flexibles, les propriétés telles que la légèreté, la transparence, la flexibilité, l'extensibilité, l'isolation et la résistance à la corrosion sont devenues des indicateurs clés pour les substrats flexibles.

Parmi les nombreux choix de substrats flexibles, le polydiméthylsiloxane (PDMS) est devenu le premier choix. Parmi ses avantages, citons sa facilité d'accès, ses propriétés chimiques stables, sa transparence et sa bonne stabilité thermique.

En particulier, sa propriété de présenter des zones adhésives et non adhésives distinctes sous la lumière ultraviolette facilite l'adhésion des matériaux électroniques à sa surface.

De nombreux dispositifs électroniques flexibles parviennent à se plier de manière significative en réduisant l'épaisseur du substrat ; toutefois, cette méthode est limitée aux surfaces de substrat presque plates. En revanche, les dispositifs électroniques extensibles peuvent adhérer complètement à des surfaces complexes et irrégulières.

Actuellement, il existe généralement deux stratégies pour parvenir à l'étirement des capteurs portables.

La première méthode consiste à coller directement de minces matériaux conducteurs à faible module d'Young sur le substrat flexible ; la seconde méthode consiste à utiliser des conducteurs intrinsèquement extensibles pour assembler des dispositifs, généralement préparés en mélangeant des matériaux conducteurs à une base élastique.

(2) Matériaux métalliques

Généralement constitués de matériaux conducteurs tels que l'or, l'argent et le cuivre, les matériaux métalliques sont principalement utilisés comme électrodes et conducteurs.

Dans les procédés d'impression modernes, les matériaux conducteurs utilisent souvent des nano-encres conductrices, notamment des nanoparticules et des nanofils. Outre leur excellente conductivité, les nanoparticules métalliques peuvent être frittées en films minces ou en fils.

(3) Matériaux semi-conducteurs inorganiques

 Représentés par le ZnO et le ZnS, les matériaux semi-conducteurs inorganiques présentent de vastes perspectives d'application dans le domaine des capteurs électroniques flexibles portables en raison de leurs propriétés piézoélectriques exceptionnelles.

(4) Matériaux organiques

Les réseaux de capteurs de pression à grande échelle sont essentiels pour le développement futur des capteurs portables. Les capteurs de pression basés sur des mécanismes de signaux piézorésistifs et capacitifs souffrent de la diaphonie des signaux, ce qui entraîne des mesures imprécises.

Cette question représente l'un des plus grands défis dans l'avancement des capteurs portables. L'utilisation de transistors offre une solution pour réduire la diaphonie des signaux.

Par conséquent, de nombreuses études dans le domaine des capteurs portables et de l'intelligence artificielle se concentrent sur la manière d'obtenir des transistors flexibles sensibles à la pression à grande échelle.

5) Application des capteurs flexibles

L'électronique flexible couvre de nombreux domaines, y compris le téléphone pliable flexible lancé par Huawei qui utilise la technologie électronique flexible.

Généralement, l'électronique flexible est fabriquée à partir d'un mélange de matériaux organiques et inorganiques, ce qui lui confère une excellente flexibilité. Les capteurs flexibles, fabriqués à partir de matériaux flexibles, présentent une adaptabilité environnementale impressionnante.

Avec l'évolution de l'internet des objets et de l'intelligence artificielle, de nombreux capteurs flexibles se caractérisent par leur haut niveau d'intégration et leurs fonctions intelligentes.

Les avantages des capteurs flexibles offrent des perspectives d'application prometteuses, notamment dans les domaines de l'électronique médicale, de la surveillance de l'environnement et des vêtements.

Par exemple, dans le domaine de la surveillance de l'environnement, les scientifiques peuvent placer des capteurs flexibles dans des appareils pour surveiller l'intensité des typhons et des tempêtes.

En ce qui concerne les produits portables, les produits électroniques flexibles sont plus aptes à tester les paramètres liés à la peau, étant donné la nature non plane du corps humain.

Les capteurs de pression flexibles sont largement utilisés dans les vêtements intelligents, les sports intelligents et la "peau" des robots. Le fluorure de polyvinylidène, le caoutchouc de silicone et le polyimide, qui servent de matériaux de base, ont été largement utilisés dans la fabrication de capteurs de pression flexibles.

Ces matériaux diffèrent des capteurs de force qui utilisent des jauges de contrainte métalliques et des capteurs de pression généraux qui utilisent des puces semi-conductrices de type n, car ils présentent une flexibilité, une conductivité et des propriétés piézorésistives supérieures.

Jianping Yu et son équipe ont proposé un nouveau réseau de capteurs tactiles capacitifs tridimensionnels flexibles capables de mesurer simultanément la pression et la force de cisaillement.

Avec la couche d'électrodes inductives basée sur des circuits imprimés flexibles (FPCB) et la couche d'électrodes flottantes basée sur du polydiméthylsiloxane (PDMS), le circuit d'interface fragile est traité sur la couche d'électrodes inductives en bas, ce qui améliore considérablement la rigidité de flexion du réseau de capteurs.

Le tissu tricoté conducteur formé par le revêtement de matériaux composites conducteurs à base de carbone sur le tissu tricoté, tel que développé par Weijing Yi et son équipe, présente des performances piézorésistives prononcées.

La relation entre la pression et la résistance de ce tricot conducteur dans la plage de pression présente une bonne relation linéaire et une excellente répétabilité.

Ce tissu peut être utilisé pour mesurer la pression dans les vêtements intelligents, les mannequins flexibles et autres, ce qui est important pour la recherche sur les dispositifs portables. La mémoire à porte flottante, fabriquée en utilisant du PEN comme substrat flexible et des matériaux organiques comme couche conductrice, possède d'excellentes performances, et le réseau flexible de capteurs de pression qui en résulte a également une haute résolution.

SOHM et d'autres ont créé des capteurs de pression flexibles en intégrant des couches d'électrodes en PDMS dans des réseaux de nanotubes de carbone alignés verticalement, qui peuvent simuler des fonctions de détection tactile et être utilisés pour la recherche sur la "peau" robotique.

3. Perception et identification des pièces

L'identification des pièces est une étape indispensable dans la fabrication industrielle. L'objectif principal est de déterminer si les pièces ou les ébauches introduites dans les machines-outils pour être traitées sont bien les pièces ou les ébauches prévues, et d'identifier leur position actuelle.

Dans les petites entreprises ou les industries peu automatisées, la détection et l'identification des pièces peuvent être effectuées manuellement.

Cependant, dans la fabrication industrielle à grande échelle ou dans les systèmes de fabrication automatisés flexibles, de nombreuses pièces différentes sont automatiquement acheminées vers divers dispositifs de traitement au sein du système, ce qui nécessite une détection et une identification automatiques.

La combinaison de la vision par ordinateur et de l'intelligence artificielle pour l'identification et la détection automatiques des pièces est un domaine essentiel de la recherche actuelle.

Selon les statistiques, plus de 80% des informations traitées par les humains proviennent d'entrées visuelles, ce qui rend les capteurs visuels avantageux à bien des égards pour l'acquisition d'informations sur l'espace de travail et les pièces à usiner :

(1) Même après avoir écarté une partie importante des données visuelles, les informations restantes sur le milieu environnant sont souvent plus abondantes et plus précises que celles fournies par les capteurs LIDAR ou à ultrasons.

(2) Les capteurs LIDAR et à ultrasons fonctionnent en émettant activement des impulsions et en recevant des impulsions réfléchies pour mesurer la distance. Par conséquent, lorsque plusieurs pièces sont présentes simultanément sur un établi, il peut y avoir des interférences entre elles. Ce problème ne se pose pas avec les mesures visuelles, qui sont passives.

(3) La période d'échantillonnage des données des capteurs LIDAR et ultrasoniques est généralement plus longue que celle des caméras, ce qui les rend moins efficaces pour fournir des informations aux robots à grande vitesse. Au contraire, les capteurs visuels offrent des taux d'échantillonnage beaucoup plus rapides.

Certes, les capteurs visuels présentent des inconvénients, notamment celui d'être moins efficaces que les capteurs actifs tels que les radars à ondes millimétriques en cas de brouillard, de lumière directe du soleil et de nuit.

Les capteurs actifs peuvent mesurer directement des paramètres tels que la distance et la vitesse d'une cible, alors que les capteurs visuels nécessitent des calculs pour les obtenir.

Cependant, dans des environnements structurés tels que les laboratoires et les ateliers de production automatisés, le double avantage des capteurs visuels en termes de capacité d'information et de vitesse de collecte jouera sans aucun doute un rôle crucial dans le développement de la détection et de la reconnaissance automatiques des pièces à usiner.

Avec l'amélioration continue des performances des ordinateurs et le développement et le perfectionnement rapides de la technologie de vision par ordinateur, l'utilisation d'ordinateurs pour reconnaître des cibles dans des images est devenue un domaine de recherche de premier plan.

En outre, l'adoption généralisée de méthodes de mise en œuvre matérielle à grande vitesse a permis de mieux appliquer la technologie de reconnaissance d'images en temps réel dans la pratique.

Par conséquent, l'utilisation de la vision par ordinateur combinée à l'intelligence artificielle pour réaliser la détection et la reconnaissance automatiques des pièces à usiner revêt une importance pratique considérable.

La phase initiale de l'inspection et de l'identification des pièces reposait principalement sur des méthodes manuelles. Cependant, avec l'accélération continue des vitesses en ligne et les exigences croissantes en matière d'inspection et d'identification des pièces, les méthodes manuelles sont devenues de plus en plus inadaptées aux besoins de l'industrie.

Cela a conduit à l'émergence de nombreuses technologies innovantes pour répondre aux besoins d'inspection et d'identification des pièces, telles que la détection par courants de Foucault, l'inspection par infrarouge, le contrôle par ultrasons, le contrôle radiographique, l'inspection par holographie et les technologies d'inspection par vision industrielle.

Ces technologies ont insufflé une nouvelle vitalité à l'inspection et à l'identification des pièces, en améliorant considérablement le niveau d'automatisation.

Parmi ces technologies émergentes, c'est le système de vision industrielle qui a trouvé l'application la plus répandue en raison de sa capacité à acquérir des informations abondantes et précises.

Par exemple, l'assistance visuelle dans l'assemblage d'un robot peut identifier les dimensions et les formes des composants afin de garantir l'exactitude et le contrôle de la qualité de l'assemblage.

En outre, sur la base des informations reconnues par la vision, les produits peuvent être chargés et déchargés à l'aide de systèmes logistiques automatisés.

Cela permet d'identifier les pièces en mouvement rapide, de déterminer la position et l'orientation d'un objet par rapport aux coordonnées, de compléter le positionnement et la catégorisation des objets, de reconnaître la distance de positionnement et l'angle d'attitude de l'objet, d'extraire les caractéristiques des paramètres prescrits et de détecter les erreurs.

Actuellement, l'identification des pièces à usiner utilise principalement des méthodes d'étalonnage basées sur des caméras traditionnelles.

Du point de vue de la pensée informatique, les méthodes traditionnelles d'étalonnage des caméras peuvent être classées en quatre catégories : les méthodes d'étalonnage utilisant des algorithmes d'optimisation, les méthodes utilisant la matrice de transformation de la caméra, la méthode en deux étapes prenant en compte la compensation de la distorsion et la méthode d'étalonnage à deux plans utilisant un modèle d'imagerie de la caméra plus rationnel.

En fonction des caractéristiques des algorithmes de solution, ces méthodes peuvent également être divisées en méthodes directes de minimisation non linéaire (méthodes itératives), en méthodes de solution de forme fermée et en méthodes en deux étapes.

(1) Méthode d'étalonnage utilisant un algorithme d'optimisation

Ces types de méthodes d'étalonnage des caméras supposent un modèle d'imagerie optique très complexe. Elles intègrent divers facteurs dans le processus d'imagerie et obtiennent les paramètres du modèle de caméra en résolvant des équations linéaires.

Cependant, cette méthode ignore complètement la distorsion non linéaire dans le processus de la caméra. Pour améliorer la précision de l'étalonnage, l'application d'algorithmes d'optimisation non linéaire est inévitable.

Cette méthode présente deux inconvénients principaux : premièrement, le résultat de l'étalonnage de la caméra dépend de la valeur initiale donnée à la caméra.

Si la valeur initiale est inappropriée, il est difficile d'obtenir un résultat d'étalonnage correct par le biais du programme d'optimisation. Deuxièmement, le processus d'optimisation prend du temps et ne permet pas d'obtenir des résultats d'étalonnage en temps réel.

Dainis et Juberts ont proposé une méthode qui utilise une transformation linéaire directe et introduit des facteurs de distorsion non linéaires pour l'étalonnage de la caméra. Leur système est conçu pour mesurer avec précision la trajectoire d'un robot.

Le système peut mesurer la trajectoire du robot en temps réel, mais il n'est pas nécessaire que l'algorithme d'étalonnage fournisse un étalonnage en temps réel pour le système.

(2) Utilisation de la méthode d'étalonnage de la matrice de transformation de la caméra

Les méthodes traditionnelles de photogrammétrie suggèrent que l'équation décrivant la relation entre le système de coordonnées spatiales tridimensionnelles et le système de coordonnées bidimensionnelles de l'image est généralement une équation non linéaire des paramètres internes et externes de l'appareil photo.

Si nous négligeons la distorsion non linéaire de l'objectif de la caméra et traitons les éléments de la matrice de transformation de la perspective comme des inconnues, un ensemble de points de contrôle tridimensionnels et de points d'image correspondants peut être utilisé pour résoudre chaque élément de la matrice de transformation de la perspective par le biais d'une méthode linéaire.

L'avantage de ce type de méthode d'étalonnage est qu'elle ne nécessite pas l'utilisation de méthodes d'optimisation pour résoudre les paramètres de la caméra, ce qui permet un calcul plus rapide et en temps réel des paramètres de la caméra.

Cependant, il subsiste quelques lacunes : Premièrement, le processus d'étalonnage ne tient pas compte de la distorsion non linéaire de l'objectif de l'appareil photo, ce qui affecte la précision de l'étalonnage.

Deuxièmement, le nombre de paramètres inconnus dans l'équation linéaire dépasse le nombre de paramètres indépendants du modèle de caméra à résoudre, ce qui signifie que les inconnues dans l'équation linéaire ne sont pas mutuellement indépendantes.

Ce problème de surparamétrage signifie que dans les situations où l'image contient du bruit, la solution aux inconnues de l'équation linéaire peut bien correspondre à l'ensemble des équations linéaires, mais les paramètres qui en découlent ne correspondent pas nécessairement à la situation réelle.

La méthode d'étalonnage de la caméra utilisant la matrice de transformation de la perspective a été largement appliquée dans des systèmes réels et a donné des résultats satisfaisants.

(3) Méthode en deux étapes

L'idée de cette méthode d'étalonnage est d'utiliser d'abord la méthode de transformation linéaire directe ou la méthode de la matrice de transformation perspective pour résoudre les paramètres de la caméra.

Ensuite, en utilisant les paramètres obtenus comme valeurs initiales, les facteurs de distorsion sont pris en compte et des algorithmes d'optimisation sont utilisés pour améliorer encore la précision de l'étalonnage.