Qu'est-ce que le LiDAR ?

LiDAR est l'acronyme de « Light Detection and Ranging », qui signifie « détection et télémétrie par la lumière ». C'est une technologie de télédétection qui utilise des impulsions lumineuses pour cartographier un environnement. La technologie LiDAR se retrouve dans les systèmes de sécurité à domicile, les lecteurs de codes-barres et les systèmes de reconnaissance faciale. Toutefois, le LiDAR est peut-être davantage connu pour son rôle dans le développement de la conduite entièrement autonome. Contrairement à ses technologies cousines RADAR et SONAR, le LiDAR fournit des données 3D haute résolution et constitue donc un outil clé dans certains secteurs, par ex. l'automobile, la géologie et l'agriculture. 

Au début du XX^e siècle, les technologies RADAR (de l'anglais « Radio Detection and Ranging », soit « détection et télémétrie radio ») et SONAR (de l'anglais « Sound Navigation and Ranging », soit « navigation et télémétrie sonore ») ont été utilisées pour mesurer la distance, la première grâce aux ondes radio électromagnétiques et la seconde grâce aux ondes sonores. Ping. Avec l'invention du laser dans les années 1960, un nouveau système de détection de distance a ensuite été créé, qui s'appuie sur la puissance photonique. Le LiDAR permet de mesurer, de cartographier et d'interpréter notre monde à la vitesse de la lumière.  

Composés de trois parties principales, tous les systèmes LiDAR comprennent un émetteur pour envoyer les ondes lumineuses, un récepteur pour capturer les ondes lumineuses réfléchies et un processeur pour interpréter les données. En une fraction de seconde, des milliers d'ondes lumineuses pulsées frappent un objet, rebondissent et fournissent des données temporelles précises pour interpréter exactement ce qui se trouve dans un environnement et les actions effectuées.

En utilisant plusieurs émetteurs laser et en émettant de la lumière pulsée rapidement (des centaines de milliers de fois par seconde), les systèmes LiDAR sont capables de réaliser des mesures sous différents angles dans un large champ de vision. Ces systèmes permettent d'obtenir des cartes 3D qui fournissent des informations précises sur l'emplacement, la distance et le mouvement. 

L'idée d'envoyer des faisceaux laser dans les airs semble relever de la science-fiction, mais le LiDAR est une technologie couramment employée de nos jours, dans un grand nombre de secteurs et domaines, notamment :

La conduite autonome

En complément des caméras et des capteurs radar, le LiDAR fournit des données essentielles à la sécurité de la navigation des véhicules autonomes. En créant des cartes 3D de la zone autour du véhicule, le LiDAR recueille des informations précises sur la forme, la taille et l'emplacement des objets. Cela permet de détecter les panneaux de signalisation, les autres voitures, les obstacles et les piétons. La précision du LiDAR à distance permet également aux véhicules autonomes de rester sur les voies et d'éviter les collisions.

Vision par ordinateur

Pour tirer un sens des images et des vidéos, les ordinateurs ont besoin d'informations plus détaillées que celles fournies par les seules caméras. Les données fournies par le LiDAR donnent aux ordinateurs la capacité de reconnaître et d'interpréter le monde visuel, en fusionnant les informations de profondeur avec les images. La vision par ordinateur assistée par LiDAR est couramment utilisée dans les domaines de la réalité augmentée, de la reconnaissance gestuelle (jeux) et de la surveillance médicale.

La reconnaissance faciale

Dans les systèmes qui nécessitent une reconnaissance faciale pour l'authentification, LiDAR améliore la précision et réduit l'usurpation d'identité. Les nuages de points très détaillés du LiDAR contiennent des données précises sur les contours et les dimensions de la structure faciale, ce qui aide les systèmes à distinguer les visages réels des images en 2D. En outre, puisque la technologie LiDAR utilise sa propre source de lumière, elle est en mesure de cartographier les visages dans des conditions de faible luminosité, y compris dans l'obscurité.

La robotique

Comme les véhicules autonomes, les robots comptent sur le LiDAR pour les aider à naviguer dans leur environnement en toute sécurité. Les cartes 3D détaillées du LiDAR fournissent aux robots les données précises nécessaires pour prendre des décisions éclairées sur leurs itinéraires, en une fraction de seconde, et dans des environnements très fréquentés et évolutifs, par ex. les entrepôts et les usines. Le LiDAR est également utile pour optimiser les capacités de reconnaissance et de manipulation des objets des robots qui travaillent dans des secteurs complexes, par ex. la fabrication, l'agriculture et la recherche et le sauvetage.

Beaucoup d'entre nous ont entendu parler du LiDAR pour la première fois dans le cadre de la conduite autonome. La conduite autonome de niveau 5 (des performances comparables à celles d'un être humain dans chaque scénario) est l'objectif ultime. Pour y parvenir, l'association d'une série de types de capteurs sera nécessaire, notamment des caméras, des radars, des ultrasons et la technologie LiDAR. C'est toutefois la précision et la portée du LiDAR (qui permet de voir clairement des objets à plus de 200 mètres, par exemple), qui font de cette technologie un atout, que beaucoup considèrent comme essentiel, pour éviter les collisions et obstacles à l'avenir.  

Il existe plusieurs types de LiDAR qui peuvent être utilisés uniquement dans la conduite autonome, y compris la numérisation, la rotation et le flash. En outre, alors que la plupart des systèmes LiDAR actuels utilisent des technologies de détection à temps de vol, de nombreux systèmes nouvelle génération cherchent à tirer parti de la technologie de détection par radar à ondes entretenues, Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW).

Les fabricants peuvent utiliser un seul type de système, ou tous à la fois. Au-delà des véhicules, le choix des types de LiDAR ne cesse de s'étoffer, avec tout un ensemble d'options qui répondent à des besoins spécifiques en matière de portée, de mobilité et d'environnement. 

Voici les définitions de certains termes courants utilisés pour décrire les systèmes LiDAR :

• LiDAR rotatif : la source lumineuse effectue une rotation pour capturer des images de l'environnement dans son ensemble. La rotation est entraînée mécaniquement (par un support tournant que l'on voit souvent au sommet d'un véhicule autonome).
• LiDAR à balayage : utilise des technologies avancées (notamment les réseaux phasés, l'optique diffractive et les métasurfaces) plutôt que la rotation mécanique pour capturer des images de l'environnement dans son ensemble. C'est ce que l'on nomme souvent le LiDAR « à l'état solide ».
• Flash LiDAR : utilise un réseau de sources lumineuses pour capturer des images de l'environnement dans son ensemble en une seule « prise » (un peu comme le flash d'un appareil photo). Bien que cette technologie soit plus robuste que le LiDAR rotatif, elle fonctionne généralement sur une portée plus courte.
• Détection à temps de vol : cette méthode de détection LiDAR repose sur l'utilisation du temps de vol (c'est-à-dire le temps entre le moment l'émission de la source lumineuse et sa détection par le récepteur) pour déterminer la distance à laquelle se trouvent les objets détectés.
• Détection via une onde continue à modulation de fréquence : cette méthode de détection LiDAR repose sur l'envoi de faisceaux multiples à des fréquences légèrement différentes au sein de l'environnement ciblé et sur la mesure des interférences entre ces faisceaux pour déterminer la distance de l'objet. Cette méthode est plus robuste que la détection à temps de vol en ce qui concerne la corruption des données d'autres systèmes LiDAR qui peuvent fonctionner en même temps (par exemple sur d'autres voitures), mais nécessite un traitement informatique beaucoup plus important.
• LiDAR aéroporté : décrit les systèmes LiDAR qui fonctionnent à partir de véhicules aériens, notamment les avions, les hélicoptères et les drones.
• LiDAR terrestre : décrit les systèmes LiDAR qui fonctionnent sur des véhicules, notamment les camions.

Dans les applications où la vitesse et la précision dominent la liste des priorités, le LiDAR est la technologie de choix. Mais tant que le LiDAR restera la méthode de détection la plus coûteuse, il continuera probablement à se heurter à des résistances avant une éventuelle adoption universelle.   

La demande en matière de rapidité et de précision ne cessant de croître dans toutes les technologies, l'intégration du LiDAR dans les systèmes est appelée à se développer. À l'échelle mondiale, l'avenir de secteurs en pleine mutation, par ex. les soins de santé, les transports et l'agriculture, sera façonné par les innovations rendues possibles par le LiDAR.

S'agissant des capacités du LiDAR, les ingénieurs et les fabricants utilisent les connaissances prédictives de la simulation pour passer un nouveau cap. Des logiciels d'optique et de photonique comme Ansys Speos, Lumerical, Zemax et AVxcelerate, permettent aux concepteurs d'explorer de nombreux scénarios et de prévoir avec précision le fonctionnement de la technologie LiDAR à l'avenir. Grâce à la simulation, les essais et la validation permettent de faire avancer encore plus rapidement les technologies qui s'appuient sur les faisceaux lumineux.

Tendances de la technologie LiDAR à surveiller :

• Planification urbaine intelligente
• Véhicules aériens sans pilote
• Recherche environnementale et conservation
• Intégrations de dispositifs portatifs

Qu'il s'agisse de repérer des piétons traversant une rue ou des affaissements touchant une ville, le LiDAR procède à une analyse visuelle précise et incroyablement rapide de ce qui nous entoure. S'appuyer sur la puissance du LiDAR dans toutes les technologies ouvrira la voie à de nombreuses avancées majeures à l'avenir. 

Ressources connexes