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Alors que de nombreux types de capteurs sont déployés, les capteurs sans contact restent parmi les plus importants, puisqu’ils permettent de détecter l’environnement du véhicule, en facilitant l’évitement des obstacles et bien plus encore. Toutefois, pour des raisons de sécurité, l’accent est depuis peu mis sur la détection des occupants de l’habitacle du véhicule.

Dans cet article, Melexis se penche sur l’une des principales technologies utilisées dans ce domaine et sur la manière dont elle peut non seulement améliorer la sécurité, mais aussi le confort et le côté pratique.

Principes de la détection de temps de vol dans l’habitacle d’un véhicule

La détection de temps de vol (ToF pour Time-of-Flight) permet de détecter des objets et de fournir des informations sur leur position et leur mouvement dans un espace 3D. Elle permet aussi d’identifier les objets en détectant leur forme, leur taille et leur orientation. Cette technologie repose sur la réflexion de la lumière par l’objet détecté. Une source lumineuse, telle qu’une matrice de LED ou un dispositif VCSEL (Vertical-Cavity Surface- Emitting Laser) est utilisée conjointement à une optique de focalisation pour produire une source de lumière illuminant la scène. Un CI capteur avancé détecte et mesure la lumière réfléchie par tout objet se trouvant dans son champ de vision.

La lumière se déplace très rapidement à une vitesse connue. En mesurant le temps nécessaire à la lumière réfléchie pour atteindre le capteur (le « temps de vol »), la distance entre l’objet et le capteur peut être calculée. Cette approche est appelée « ToF direct » (dToF) car le temps est calculé directement à partir d’une base de temps très précise, et c’est la solution préférée pour les applications impliquant de grandes distances, comme le LIDAR. La technologie dToF est généralement considérée comme une technologie basse résolution, qui nécessite un balayage mécanique complexe (et coûteux) pour obtenir une résolution plus élevée.

Au lieu d’utiliser le temps absolu, la ToF indirecte (iToF) calcule la distance en fonction du déphasage par rapport à un signal de référence connu. Cette technique est bien plus adaptée aux applications haute résolution et, grâce aux matrices de pixels CMOS modernes, elle peut générer des vidéos 3D en temps réel en définition QVGA, voire plus.

L’iToF combine de manière unique un mapping d’amplitude (en niveaux de gris) de la profondeur en résolution moyenne à haute, ce qui permet l’identification de formes complexes (comme des personnes ou des objets), même en l’absence de contraste de couleur entre l’objet et son entourage. Ces avantages rendent l’iToF très utile pour de nombreuses applications tournées vers l’avenir, là où d’autres technologies avouent leurs limites.

À une distance relativement proche (environ 5 m), la technologie ToF permet d’identifier les objets et les espaces libres, ce qui permet aux systèmes ADAS de prédire intelligemment comment un objet est susceptible de se déplacer (le cas échéant) et de prendre les mesures d’évitement appropriées. Étant donné que l’iToF Melexis est relativement peu affecté par les variations de température et de lumière, il est parfait pour les applications extérieures comme celles-ci.

Applications de la détection de temps de vol dans l’habitacle

L’un des principaux moteurs pour atteindre l’objectif ultime de véhicules totalement autonomes est le renforcement de la sécurité routière. Un rapport récent de la NHTSA (Sécurité routière nationale américaine) estime que plus de 90% des accidents sont dus à des erreurs de conduite, donc éliminer ces erreurs rendra les routes beaucoup plus sûres. Si la production en série de véhicules entièrement automatisés n’est pas encore pour demain, l’iToF peut contribuer de manière significative à la sécurité routière, en surveillant le conducteur et son comportement.

La fatigue du conducteur est un sujet majeur et la haute résolution permise par l’iToF permet de voir si le conducteur a bien les yeux sur la route, s’il baille excessivement, ou même s’il lutte pour garder les yeux ouverts. Détecter chacun de ces problèmes et suggérer, voire imposer une pause permettrait d’éviter des accidents et de sauver des vies. D’autres comportements du conducteur, comme le fait de ne pas tenir correctement le volant, de manger au volant ou d’utiliser un appareil mobile sans kit mainslibres, peuvent également être identifiés et générer un avertissement ou une action, voire même stopper le véhicule en toute sécurité si nécessaire.

Les airbags ont sauvé de très nombreuses vies et sont aujourd’hui des éléments essentiels présents dans quasiment tous les véhicules. Cependant, il y a eu quelques cas, en particulier avec des nourrissons ou des personnes âgées, où des airbags ont provoqué des blessures ou pire encore. La technologie ToF permet de détecter la taille et d’estimer le poids des passagers, et de modifier le déploiement de l’airbag si nécessaire. Dans le cas où il n’y a aucun passager sur le siège, la ToF permet d’empêcher le déploiement de l’airbag.

De nombreux véhicules hybrides actuels démarrent et font tourner le moteur thermique pour recharger les batteries lorsqu’elles sont pratiquement déchargées. Étant donné qu’il est facile de quitter son véhicule avec le contact allumé la bonne vieille clé de contact appartenant désormais au passé le véhicule peut très bien démarrer automatiquement s’il est laissé sans surveillance. Ceci est potentiellement dangereux, surtout dans un espace confiné, mais peut facilement être évité en détectant la présence ou non de personnes à bord, grâce à la technologie ToF.

Outre l’amélioration de la sûreté des véhicules, le même système ToF est également en mesure d’offrir plusieurs fonctions pratiques ou de confort dans l’habitacle, pour améliorer l’expérience du conducteur et des passagers. Par exemple, les sièges pourraient être avancés ou reculés et les ceintures de sécurité rapprochées lorsqu’un passager monte dans le véhicule, les compartiments de rangement pourraient être éclairés lorsque l’on tend la main vers eux, ou les réglages du système d’info-divertissement pourraient être modifiés en fonction du nombre et de Ia position des occupants dans le véhicule.

À mesure que les véhicules deviennent plus sophistiqués, les interfaces homme-machine (IHM) à l’intérieur de l’habitacle deviennent plus complexes. Un capteur ToF associé à un projecteur de lumière pourrait fournir un panneau de commande sur n’importe quelle surface disponible, offrant ainsi plus de commodité et de souplesse.

Il est clair que la technologie ToF va apporter un changement radical à la détection embarquée, et renforcer la sophistication des véhicules, en améliorant à la fois leur sûreté et leur confort.

Nouvelle technologie ToF

Le chipset Melexis de deuxième génération comprend un capteur ToF dédié et un circuit compagnon qui commande le système et s’interface avec le microcontrôleur externe ou le sérialiseur.

Tout en conservant le même boîtier compact de 5,5 x 6,5 mm et le même format optique que la génération précédente, ce nouveau chipset offre une sensibilité double et un gain réglable au niveau pixel, qui permet d’améliorer les performances en basse lumière. L’éclairage 940 nm permet au système de fonctionner de manière invisible pour l’homme, ce qui est inestimable pour un fonctionnement de nuit dans l’habitacle des véhicules, et permet aussi de tirer profit du peu de lumière solaire émise à une telle longueur d’onde.

Ce nouveau capteur offre un meilleur rendement que le précédent, avec une consommation en baisse de 30%, ce qui génère moins de chaleur et permet d’économiser sur l’alimentation électrique. Un rapport signal/bruit amélioré permet au système de fonctionner jusqu’à 65% plus loin avec le même niveau d’éclairage, ou sur la même distance que la génération précédente avec moins de lumière. Cela permet de réduire le coût des sources lumineuses de type LED ou VCSEL. Il est désormais possible de construire une caméra à double tête avec une seule puce compagnon.

Une nouvelle fonctionnalité, dite "pixel binning", permet de fusionner quatre (2x2) ou seize (4x4) pixels quand la résolution nécessaire est moindre, ce qui réduit le débit de données et permet d’utiliser un processeur hôte plus économique.

Résumé

La détection ToF dans l’habitacle va permettre aux constructeurs automobiles de respecter les législations à venir, notamment la proposition NCAP 2025 relative à la détection des occupants, tout en améliorant l’expérience des passagers.

Melexis développe des solutions ToF depuis plus de dix ans et sa solution de deuxième génération offre des performances améliorées, une consommation plus faible et un coût système réduit, ce qui facilite considérablement le travail des concepteurs.

http://www.melexis.com/