Réseaux de capteurs multi-LIDAR adaptatifs pour une utilisation en intérieur
La croissance technologique explosive dont nous avons été témoins au cours des dernières décennies a ouvert la voie au développement de villes intelligentes, dont l'objectif est de donner aux citoyens des zones urbaines les moyens d'agir grâce à divers services. En détectant l'intérieur et/ou l'extérieur de divers espaces urbains, les villes intelligentes peuvent contribuer à des tâches telles que le routage, la logistique, la gestion du trafic, la prévention de la criminalité et bien d'autres encore.
Les capacités et les services fournis par une ville intelligente sont cependant étroitement liés à deux grands domaines d’application : la détection et les télécommunications. Les efforts récents se sont concentrés sur l’utilisation de plusieurs dispositifs LIDAR dans des réseaux de capteurs, qui peuvent collecter des données 3D en temps réel sur la position de corps solides, tels que des personnes, des véhicules et des robots. Malgré les progrès substantiels réalisés dans les réseaux de capteurs multi-LIDAR pour une utilisation en extérieur, leurs homologues en intérieur sont toujours confrontés à des défis critiques qui doivent être relevés.
Dans une étude publiée dans Journal des capteurs IEEE Le 22 juin 2023, des chercheurs japonais ont cherché une solution innovante à l'un des principaux obstacles aux réseaux multi-LIDAR intérieurs : exploiter un grand nombre de capteurs tout en étant contraint par une bande passante limitée et fluctuante. Cette étude a été menée par les doctorants Kuon Akiyama, Kenta Azuma et Ryoichi Shinkuma de l'Institut de technologie de Shibaura, ainsi que par Jun Shiomi de l'Université d'Osaka.
Pour clarifier le problème, il est utile de savoir que les réseaux multi-LIDAR intérieurs nécessitent généralement un plus grand nombre de capteurs que les réseaux extérieurs. Alors que quatre ou cinq capteurs peuvent suffire dans un environnement extérieur pour couvrir les angles morts, dix capteurs ou plus sont nécessaires dans les réseaux intérieurs car leur placement est limité par les plafonds et autres obstacles. Étant donné que les réseaux multi-LIDAR intérieurs reposent également sur une communication sans fil entre chaque capteur et un ordinateur central, des problèmes de bande passante partagée peuvent survenir en cas de pics de trafic.
L'équipe de recherche a résolu ce problème en mettant en œuvre un système capable de contrôler de manière adaptative le volume de données envoyées par chaque capteur. Dans leur conception, chaque unité LIDAR est connectée à un dispositif de contrôle de capteur, qui récupère, met en mémoire tampon et transmet les données à un ordinateur de bord. L'ordinateur surveille et agrège en permanence les flux de données de chaque capteur, en inspectant soigneusement leur latence et leur gigue.
Plus important encore, si l'ordinateur détecte des retards importants en provenance d'un capteur donné (ce qui peut se produire en raison de problèmes de réseau ou de bande passante), le capteur est invité à ajuster le volume de données qu'il transmet. À cette fin, chaque capteur est équipé d'un filtre qui peut augmenter ou réduire la taille du nuage de points transmis en fonction de « l'importance » de chaque région dans l'espace 3D, qui est prédéterminée par l'administrateur pour chaque cas d'utilisation spécifique. En éliminant les points les moins importants des capteurs confrontés à des limitations de bande passante, la qualité du nuage de points agrégé peut être préservée autant que possible.
Les chercheurs ont testé leur système dans deux environnements expérimentaux intérieurs dans des conditions variées. « La conception proposée a été évaluée avec différents modèles de charge de 100 à 200 Mo/s, y compris des charges dynamiques dont la taille variait d'une minute à l'autre », explique Akiyama.
« Nous avons constaté que notre système était capable de satisfaire aux exigences de délai et de recevoir des points très importants même si le réseau était soumis à une charge dynamique. Cela suggère que notre approche est efficace lorsqu'un objet se déplace dans la zone de surveillance et lorsque la bande passante réseau disponible varie, quelle que soit la vitesse physique de la communication sans fil. »
L’un des principaux cas d’utilisation des réseaux de capteurs multi-LIDAR, tant intérieurs qu’extérieurs, est la création de répliques virtuelles du monde réel, appelées jumeaux numériques.
« Un réseau de capteurs doté d'un grand nombre de capteurs LIDAR peut être utilisé pour construire un jumeau numérique couvrant une vaste zone. De tels jumeaux numériques étendus pourraient être mis à jour en continu et en temps réel pour capturer les mouvements des personnes, des véhicules et des robots mobiles afin d'optimiser les systèmes de conduite autonome », souligne Akiyama.
« Ces optimisations pourraient améliorer la sécurité et l'efficacité de la mobilité autonome tout en réduisant les coûts. »
Des efforts supplémentaires dans ce domaine contribueront à accélérer l’avènement des villes intelligentes et de tous leurs avantages, faisant des espaces urbains de meilleurs endroits où vivre.
