Les capteurs à ultrasons fleurissent. Savez-vous pourquoi ou comment en faire un ?

Les capteurs à ultrasons sont devenus monnaie courante grâce, dans une large mesure, à leur adoption dans les véhicules autonomes à un stade précoce. La technologie à ultrasons utilise principalement des ondes sonores inaudibles (à partir de 20 kHz) pour transmettre des données numériques.

Les robots représentent un autre domaine où les capteurs à ultrasons ont trouvé leur place, tels que les aspirateurs robotiques, les tondeuses à gazon et les laveurs de vitres, les robots de téléprésence dans les bureaux et la création et la démolition de bâtiments. Ces applications et bien d’autres nécessitent des dispositifs robotiques pour trouver leur chemin sans s’écraser contre les murs, les meubles, l’équipement, les personnes ou d’autres robots. La détection des obstacles est essentielle pour atteindre cette exigence. Un robot doit détecter ou « voir » les obstacles de quelques mètres à quelques centimètres pour éviter les collisions – et en temps opportun.

Les capteurs à ultrasons sont un moyen peu coûteux de faire voir les robots. Les capteurs envoient des ondes sonores pour détecter des objets. Alors que le verre et la plupart des plastiques sont des objets solides qui empêchent le son, les matériaux acoustiquement transparents fonctionnent bien avec les capteurs à ultrasons. Certains matériaux acoustiquement transparents sont le tissu de grille de haut-parleur et les plastiques spéciaux, ainsi que l’écran et le treillis métalliques.

La plupart des véhicules modernes recouvrent le capteur à ultrasons dans un boîtier en plastique particulier pour éviter les dommages environnementaux au transducteur, c’est-à-dire la pluie, la boue, la saleté, etc.

Comment ils travaillent

La conception d’un système robotique à ultrasons est similaire aux systèmes anticollision et de stationnement dans les voitures. Par exemple, des capteurs à ultrasons sont intégrés sur les côtés d’un aspirateur robotique pour lui offrir une couverture complète à 360 degrés. L’espacement et le nombre de capteurs dépendent de la forme du vide et du champ de vision du capteur à ultrasons. Pendant que l’aspirateur – ou d’autres appareils robotiques – se promène dans une maison ou un bâtiment intelligent, le capteur à ultrasons cartographie les obstacles, calcule la distance par rapport aux obstacles et transmet ces informations à l’électronique pour naviguer autour des défis

Les robots collaboratifs qui travaillent côte à côte avec les humains sont une autre application des capteurs à ultrasons. En dehors des usines des chaînes de montage industrielles et des étages des entrepôts, les cobots ont été acceptés dans les halls médicaux et hospitaliers. En plus de leur douceur, les cobots médicaux et les robots mobiles ne peuvent pas être infectés par un coronavirus biologique comme le COVID-19. Les systèmes robotiques ont joué un rôle essentiel dans les soins cliniques, tels que la prévention, le diagnostic et le dépistage des maladies et les soins aux patients.

Capteur à ultrasons automobile. (Source de l’image : TI)

Concevoir un robot avec la technologie des ondes sonores ne nécessite que quelques composants essentiels. Des oscillateurs piézoélectriques commandés en tension sont utilisés pour générer des ondes sonores ultrasonores. Un processeur de signal et une puce de commande de transducteur se connectent au transducteur pour initier l’onde sonore, traiter les signaux électriques de retour et calculer l’algorithme nécessaire pour les échos pertinents. Un processeur est nécessaire pour interpréter les informations provenant de plusieurs capteurs à ultrasons autour du robot pour cartographier les obstacles et arrêter ou aider à s’en éloigner.

Les systèmes à ultrasons sont également utilisés pour améliorer le confort d’utilisation et optimiser les performances de l’automatisation des bâtiments et des résidences. Par exemple, de nombreux produits ont besoin d’un moyen de s’activer uniquement lorsque cela est nécessaire et restent sinon en mode veille pour économiser l’énergie. L’appareil doit se réveiller automatiquement pour exécuter des fonctions critiques lors de la détection précoce de la présence de personnes ou d’autres robots qui s’approchent. Une fois détectés, ces systèmes allumeraient ou éteindraient les lumières, régleraient les paramètres du système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), allumeraient les sonnettes électroniques avant qu’elles ne soient enfoncées, avertiraient les propriétaires (ou enregistreraient une vidéo) ou activeraient les alarmes antivol.

La détection par ultrasons offre également une méthode de détection d’occupation et des détecteurs de mouvement avancés dans les bâtiments intelligents. Étant donné que la technologie à ultrasons repose sur la force d’un écho renvoyé une fois qu’une cible est touchée, elle peut facilement distinguer la présence d’humains de celle d’insectes ou d’animaux domestiques. Une fois qu’une cible désignée a été détectée via les ondes ultrasonores réfléchies, la sortie conditionnée active un dispositif spécifique, par exemple en activant la fonction de caméra dans une sonnette vidéo ou une caméra de surveillance.

En passant, une autre façon de déterminer l’occupation est avec technologie infrarouge passive. Les capteurs PIR s’appuient sur le rayonnement infrarouge (IR) pour détecter la présence d’êtres émetteurs de chaleur au lieu d’objets inanimés (par exemple, comme avec les capteurs à ultrasons). En règle générale, un capteur pyroélectrique mesure la température moyenne de l’environnement environnant, mais cette mesure n’est pas particulièrement utile lorsque vous essayez de suivre un mouvement.

Pour en revenir à la technologie des ultrasons, une autre application de construction intelligente populaire est la détection des places de stationnement ouvertes dans les garages des aéroports, des centres commerciaux et d’autres installations commerciales. Une fois qu’un véhicule garé est détecté, le voyant normalement vert (ou ouvert) monté au plafond s’allumera pour avertir les conducteurs que la place est occupée.

Bricolage (bricolage)

Au cours de la récente pandémie, il était important que les gens gardent leurs mains loin de leur visage. Un appareil de bricolage allumerait un voyant d’avertissement lorsqu’un tel comportement est détecté pour réduire la possibilité d’infection. La conception a été prototypée à l’aide d’un Arduino, qui contrôlait une LED grâce au retour d’un capteur de proximité à ultrasons. La LED clignoterait dans la vision périphérique de l’utilisateur, s’illuminant lorsque le capteur détecterait des mains (ou d’autres objets) s’approchant du visage. (Source de l’image : GitHub / Nick A. Bild, MS)

GitHub / Nick A. Bild, MS

Lunettes qui changent le comportement. (Source de l’image : GitHub / Nick A. Bild, MS)

En plus de donner aux robots la capacité de « vue », les actionneurs haptiques utilisent un capteur à ultrasons pour imiter la « sentir ». Une technologie émergente connue sous le nom d’haptique sans contact ne nécessite même pas d’actionneur, mais plutôt des jets d’air ou un rayonnement ultrasonore pour simuler la sensation d’un contact réel. Cela signifie que l’utilisateur n’a pas besoin de porter de gants ou de tenir un appareil pour ressentir le mouvement simulé ou la surface tactile.

Le marché cible des nouvelles technologies haptiques comprend les smartphones, les jeux, les appareils portables, l’AR, la VR et la MR et d’autres marchés de l’électronique grand public, l’haptique automobile et diverses autres applications allant du médical au militaire et plus encore.

Vous souhaitez concevoir un système à ultrasons ? Il y a plein de bons exemples sur Youtube, comme celui-ci :