Faire progresser le transport sécurisé dans le brouillard : les laboratoires Sandia testent des capteurs pour véhicules autonomes

Des drones autonomes et des taxis volants capables d'opérer en toute sécurité dans le brouillard peuvent sembler futuristes, mais de nouvelles recherches à l'installation de test de brouillard des Laboratoires nationaux Sandia rapprochent cet avenir.

Le brouillard rend les déplacements par voie d'eau, aérienne et terrestre dangereux lorsqu'il devient difficile pour les personnes et les capteurs de détecter les objets. Les chercheurs de l'installation de brouillard de Sandia relèvent ce défi grâce à de nouvelles recherches optiques en imagerie computationnelle et en collaborant avec des chercheurs de la NASA travaillant sur la mobilité aérienne avancée, Teledyne FLIR et d'autres pour tester des capteurs dans un brouillard personnalisé, mesurable et reproductible à la demande.

Une chambre de brouillard unique

Construite en 2014, la chambre de brouillard de Sandia mesure 55 mètres de long, 3 mètres de haut et 3 mètres de large. Elle est revêtue de feuilles de plastique pour piéger le brouillard. Lorsqu'une équipe commence un test, 64 buses sifflent en pulvérisant un mélange personnalisé d'eau et de sel. Au fur et à mesure que la pulvérisation se propage, l'humidité augmente et un brouillard épais se forme. Bientôt, un observateur à l'intérieur ne peut plus voir les murs, le plafond ou l'entrée à travers l'aérosol, et les personnes et objets à quelques mètres sont obscurcis ou complètement cachés.

Les chercheurs de Sandia mesurent soigneusement les propriétés du brouillard au fil du temps pour comprendre comment il se forme et évolue. En ajustant les paramètres environnementaux, ils peuvent modifier les propriétés du brouillard pour mieux correspondre au brouillard naturel.

« Notre équipe peut mesurer et caractériser complètement le brouillard que nous produisons, et générer de manière répétée un brouillard similaire à différents jours », explique Andres Sanchez, ingénieur chimiste. « Avoir des conditions cohérentes et mesurables est important lorsque nous testons la performance des capteurs dans le brouillard. »

Tests de capteurs pour la mobilité aérienne

Des chercheurs du centre de recherche Ames de la NASA ont récemment visité Sandia pour effectuer une série d'expériences testant la façon dont des capteurs disponibles dans le commerce perçoivent les obstacles dans le brouillard. Le groupe Revolutionary Aviation Mobility fait partie du projet NASA Transformational Tools and Technologies.

« Nous avons testé des technologies de perception qui pourraient équiper des véhicules aériens autonomes », déclare Nick Cramer, ingénieur principal de la NASA pour ce projet. « Nous voulons nous assurer que ces véhicules peuvent opérer en toute sécurité dans notre espace aérien. Cette technologie remplacera les yeux d'un pilote, et nous devons pouvoir le faire par tous les temps. »

L'équipe a installé un drone stationnaire dans la chambre comme cible, puis a testé divers capteurs pour voir dans quelle mesure ils pouvaient percevoir le drone dans le brouillard.

« La chambre de brouillard des Laboratoires nationaux Sandia est incroyablement importante pour ce test », souligne Cramer. « Elle nous permet de régler précisément les paramètres et d'observer les variations sur de longues distances. Nous pouvons reproduire de longues distances et divers types de brouillard pertinents pour l'environnement aérospatial. » Cramer ajoute que l'un des défis de la technologie de vol autonome est qu'il y aurait beaucoup de petits véhicules volant à proximité.

Tests des caméras infrarouges Teledyne FLIR

Teledyne FLIR a testé ses propres caméras infrarouges à l'installation de brouillard de Sandia pour déterminer leur capacité à détecter et classifier les piétons et autres objets. Chris Posch, directeur de l'ingénierie automobile chez Teledyne FLIR, indique que ces caméras pourraient améliorer la sécurité des véhicules actuels dotés de systèmes d'aide à la conduite avancés comme le freinage d'urgence automatique, ainsi que celle des véhicules autonomes du futur.

« Les tests dans le brouillard sont très difficiles à réaliser dans la nature car il est si éphémère et présente de nombreuses différences inhérentes dans les tailles de gouttelettes d'eau, la cohérence et la répétabilité du brouillard ou de la brume », explique Posch. « Comme l'installation de brouillard de Sandia peut créer de manière répétée du brouillard avec divers contenus en eau et tailles, elle a été cruciale pour recueillir les données de test de manière scientifique rigoureuse. »

Sandia et Teledyne FLIR ont mené de multiples tests de performance avec des capteurs de sécurité véhicule, notamment des caméras visibles, des caméras infrarouges à ondes longues, moyennes et courtes, et du lidar. Posch indique que les résultats ont montré que les caméras infrarouges à ondes longues de Teledyne FLIR peuvent détecter et classifier avec précision les piétons et autres objets dans la plupart des brouillards, là où les caméras visibles sont mises en difficulté.

Imagerie computationnelle pour voir à travers le brouillard

Une équipe de chercheurs de Sandia a récemment publié un article dans Optics Express décrivant les résultats actuels d'un projet de trois ans utilisant l'imagerie computationnelle et la science de la propagation et de la diffusion de la lumière dans le brouillard pour créer des algorithmes permettant aux capteurs de détecter, localiser et imager des objets dans le brouillard.

« Les méthodes actuelles pour voir à travers le brouillard et avec la lumière diffusée sont coûteuses et peuvent être limitées », déclare Brian Bentz, ingénieur électricien et chef de projet. « Nous utilisons ce que nous savons sur la façon dont la lumière se propage et se diffuse dans le brouillard pour améliorer les capacités de détection et de conscience situationnelle. »

Bentz précise que l'équipe a modélisé la façon dont la lumière se propage à travers le brouillard vers un objet et vers un détecteur — généralement un pixel dans une caméra — puis a inversé ce modèle pour estimer d'où provenait la lumière et les caractéristiques de l'objet. En modifiant le modèle, cette approche peut être utilisée avec de la lumière visible ou thermique. L'équipe a utilisé le modèle pour détecter, localiser et caractériser des objets dans le brouillard et travaillera sur l'imagerie d'objets lors de la dernière année du projet.