Aperçu des technologies LiDAR automobiles
(viksnewsletter.com)- Le LiDAR pour véhicules autonomes est un capteur clé pour percevoir rapidement l’environnement en 3D, mais son adoption grand public exige une forte baisse du coût des équipements, aujourd’hui de l’ordre de plusieurs milliers de dollars
- Les longueurs d’onde de référence, 905 nm et 1550 nm, présentent des avantages et inconvénients distincts en matière de coût, puissance, sensibilité des détecteurs, sécurité oculaire, interférences solaires et performances en conditions humides
- Le choix des photodétecteurs comme APD, SPAD ou SiPM influence directement la sensibilité, le coût et le mode d’intégration du traitement du signal ; les SPAD peuvent détecter le temps d’arrivée d’un photon unique avec une précision de l’ordre de la picoseconde
- Aujourd’hui, le dToF simple est le plus utilisé, avec une portée commerciale d’environ 100 à 200 m ; le FMCW peut calculer à la fois la distance et la vitesse, mais sa mise en œuvre est plus complexe
- La tendance est nette : passer des architectures mécaniques rotatives vers les MEMS, le Flash et l’OPA afin de réduire les pièces mobiles et d’améliorer le coût, la fiabilité et la vitesse de capture
Le rôle du LiDAR dans les véhicules autonomes
- Le LiDAR (Light Detection and Ranging) est une technologie qui mesure la distance d’objets éloignés à l’aide d’un laser infrarouge
- Il est déjà utilisé pour la végétation, les environnements urbains, les sites archéologiques enfouis, l’architecture, la réalité augmentée et d’autres usages ; dans les véhicules autonomes, il joue le rôle d’« œil » en créant rapidement une image 3D précise de l’environnement
- Le principe de base est proche de celui du radar, mais il utilise un laser à longueur d’onde plus courte que les micro-ondes, ce qui permet d’obtenir des images plus détaillées
- Il est déjà utilisé dans les robotaxis autonomes de Waymo et Cruise, et son efficacité a été confirmée jusqu’au niveau 4 de conduite autonome
- Sa plus grande contrainte reste le coût
- Les dômes LiDAR rotatifs montés sur le toit des véhicules coûtent plusieurs milliers de dollars
- La source lumineuse, le détecteur, l’électronique et les composants mécaniques tirent le coût global vers le haut
- Pour une adoption à grande échelle, il faut réduire le coût d’au moins un ordre de grandeur
- Plus de 140 startups se disputent le marché du LiDAR avec pour objectif de réduire les coûts et d’industrialiser la technologie
Longueur d’onde de fonctionnement : 905 nm et 1550 nm
- Le LiDAR automobile fonctionne principalement dans l’infrarouge, en dehors du visible 380–700 nm, avec comme longueurs d’onde les plus représentatives 905 nm et 1550 nm
- Le choix de la longueur d’onde dépend de la puissance du laser, de la sensibilité du détecteur et du niveau d’interférences de la lumière naturelle ou artificielle
- Le rayonnement solaire reste une source d’interférences importante même dans l’infrarouge, et la quantité de lumière solaire atteignant la surface à une longueur d’onde donnée se mesure via le solar photon flux
- Autour de 905 nm, 940 nm et 1550 nm, on observe des zones d’atténuation dues à l’absorption de la vapeur d’eau dans la haute atmosphère, ce qui peut aider à réduire les interférences pour les systèmes au sol
- Le même effet d’absorption peut toutefois affaiblir le signal LiDAR sur route en présence de brouillard ou de pluie
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Avantages et inconvénients du 905 nm
- Le 905 nm est proche du visible, ce qui entraîne à la fois des enjeux de sécurité oculaire et d’interférences
- Comme il est facilement absorbé par la rétine, une exposition prolongée peut provoquer des dommages, d’où des normes strictes de sécurité oculaire
- Les sources d’interférences proches du visible, comme le soleil ou les phares automobiles, peuvent dégrader les performances du système
- En contrepartie, aux longueurs d’onde plus courtes, les photodétecteurs sont généralement plus sensibles, et les sources laser plus puissantes et moins coûteuses
- Ouster a néanmoins choisi le 850 nm malgré un solar photon flux élevé
- visibilité en conditions humides
- performances de la source et du détecteur
- approche brevetée de suppression des interférences environnementales
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Avantages et inconvénients du 1550 nm
- Le 1550 nm subit moins d’interférences dues au rayonnement solaire et, comme la lumière ne pénètre que jusqu’à la cornée, les risques pour la rétine sont moindres du point de vue de la sécurité oculaire
- Cette meilleure sécurité permet d’utiliser une puissance plus élevée pendant plus longtemps et d’obtenir une portée de détection supérieure
- Son inconvénient est une absorption plus forte par la vapeur d’eau, ce qui le rend plus difficile à utiliser dans des conditions humides
Photodétecteurs : APD, SPAD, SiPM
- Le détecteur le plus couramment utilisé dans le LiDAR automobile est l’Avalanche Photodiode (APD)
- L’APD est une jonction semi-conductrice PN exploitant l’effet photoélectrique ; en réponse aux photons incidents, elle crée des paires électron-trou et génère un courant proportionnel au nombre de photons
- Le matériau de l’APD influe sur la réponse spectrale et sur le coût
- Les APD en silicium répondent bien dans le NIR et sont peu coûteuses à fabriquer
- L’InGaAs convient mieux aux longueurs d’onde SWIR, mais coûte davantage
- Le germanium est également utilisé comme matériau d’APD
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SPAD
- Le SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) ne produit pas un signal analogique proportionnel à l’intensité lumineuse comme une APD classique, mais une réponse binaire proche de l’arrivée d’un photon
- Il fonctionne en Geiger-mode sous forte polarisation inverse, et un seul photon peut y déclencher une avalanche générant un courant important
- Il peut mesurer le temps d’arrivée d’un photon avec une précision de l’ordre de la picoseconde, soit un billionième de seconde, ce qui est avantageux pour les mesures de distance de haute précision
- Comme il peut être fabriqué en CMOS, il favorise la réduction des coûts et permet d’intégrer une grande quantité de traitement du signal juste à côté des matrices de détecteurs
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SiPM
- Dans la bande des 905 nm, le Silicon Photomultiplier (SiPM) remplace largement les APD en silicium
- Le SiPM est une matrice de microcellules composée de SPAD et de résistances de quenching
- Il limite lui-même le courant d’avalanche tout en offrant un gain photoélectrique élevé, et peut détecter avec précision le nombre de photons incidents en fonction du niveau de courant de sortie
Méthodes de mesure de distance : dToF et FMCW
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Direct Time-of-Flight
- Le dToF (Direct Time-of-Flight) consiste à émettre une impulsion laser puis à mesurer le temps mis par le signal réfléchi pour revenir
- Le temps total entre l’émission et la réception est le round-trip delay, et le temps réel jusqu’à l’objet correspond à la moitié de cette valeur
- La distance est calculée à partir de la vitesse de la lumière dans le milieu de propagation
- La distance minimale mesurable est limitée par la résolution de l’électronique de synchronisation
- Pour des objets proches, le délai aller-retour peut être trop court pour être distingué par le détecteur
- C’est pourquoi la profondeur minimale est généralement limitée à quelques centimètres
- La distance maximale dépend de la puissance d’émission, de la sensibilité du détecteur et des pertes de propagation en espace libre
- Si le signal réfléchi ne peut pas être distingué du bruit de fond, l’interprétation de la distance devient impossible
- La portée maximale des systèmes dToF commerciaux est de 100 à 200 m
- Aujourd’hui, la plupart des systèmes LiDAR utilisent le dToF pour sa simplicité
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iToF et AMCW
- Il existe une autre approche temporelle que le dToF, qui utilise un signal continu et détecte le déphasage de l’onde réfléchie
- Cette méthode est appelée iToF (indirect ToF) ou plus précisément AMCW (Amplitude Modulated Continuous Wave)
- L’iToF est moins sensible à la dérive temporelle et mieux adapté aux mesures à courte distance
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FMCW
- Le FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) LiDAR module la longueur d’onde ou la fréquence de l’impulsion émise
- Cette technologie existe depuis les années 1960 et le concept est déjà largement utilisé dans les radars automobiles
- Un ensemble de signaux modulés en fréquence est appelé un chirp, et le signal réfléchi présente, du fait du retard temporel, une différence de fréquence instantanée par rapport au signal émis
- En convertissant cette beat frequency vers le bas à l’aide d’un mélangeur, on peut calculer à la fois la distance et la vitesse de l’objet
- Sa mise en œuvre est plus complexe que celle du dToF
- Elle nécessite une source laser à fréquence variable pour la modulation
- Elle nécessite aussi une électronique supplémentaire pour extraire l’information des signaux émis et reçus
- Ses avantages sont également clairs
- Comme la fréquence varie à chaque instant, les interférences entre systèmes LiDAR voisins sont plus faibles
- Il exige une puissance laser de crête inférieure à celle du ToF, ce qui a un impact sur les normes de sécurité oculaire, en particulier à 905 nm
LiDAR mécanique et miroirs MEMS
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LiDAR à balayage rotatif
- Le LiDAR mécanique consiste à monter un laser infrarouge sur un moteur brushless DC afin de faire tourner le capteur
- Il offre un champ de vision horizontal de 360° qui élimine les angles morts, mais son champ de vision vertical est limité à environ 90 à 95°
- Le Laser Bear Honeycomb de Waymo est un exemple de LiDAR mécanique à balayage, souvent visible sur le toit des véhicules autonomes de Waymo
- Le moteur et les composants d’entraînement de précision augmentent le coût des pièces et sont sujets à l’usure en usage répété
- C’est pourquoi les systèmes LiDAR à balayage sont volumineux et coûteux
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LiDAR à miroir MEMS
- Le LiDAR à miroir MEMS ne déplace pas directement la source laser ni le capteur ; il réfléchit le laser sur un miroir micro-électromécanique mobile
- En faisant osciller ce miroir MEMS à vitesse constante en va-et-vient, le LiDAR peut balayer l’espace 3D
- Il existe trois modes d’actionnement
- actionnement électrostatique : utilisation du champ électrique uniquement
- actionnement électromagnétique : utilisation des champs électrique et magnétique
- actionnement thermique : utilisation de la chaleur
- Le principal compromis de conception concerne la masse du miroir et la vitesse de balayage
- Un miroir lourd réduit la vitesse de balayage
- Un miroir MEMS 2D possède un axe lent et un axe rapide, et effectue un raster scan en se déplaçant rapidement dans une direction
- Dans la direction verticale, il se déplace plus lentement pour créer un changement de position statique destiné à une nouvelle séquence de balayage rapide
- Les miroirs MEMS peuvent être fabriqués via les procédés back-end-of-line de fonderies CMOS historiques et sont considérés comme une technologie mature
- Cette caractéristique favorise une mise en œuvre à faible coût des LiDAR à balayage
LiDAR solid-state : Flash et OPA
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Flash LiDAR
- Le Flash LiDAR s’apparente davantage à une prise de vue qui illumine tout l’espace avant en une seule fois, sans balayage de l’espace 3D
- Il utilise des VCSEL comme source laser, éclaire la zone visée avec une lumière diffusée, puis détecte le signal réfléchi à l’aide d’une matrice de SiPM
- Il peut capturer des flashes LiDAR jusqu’à 30 images par seconde et fournir un rendu 3D en temps réel
- Son champ de vision est plus réduit que celui du LiDAR mécanique rotatif, et sa résolution est limitée, comme pour un appareil photo numérique, par le nombre de pixels que l’on peut placer sur une surface donnée
- Par rapport aux approches à balayage, son rapport signal sur bruit est plus faible
- La puissance laser optique limitée doit être répartie entre tous les pixels de la matrice
- Le bruit de fond environnemental à la même longueur d’onde que le laser limite la sensibilité de détection
- Le rapport signal sur bruit constitue la limite finale de la portée de détection du Flash LiDAR
- La littérature rapporte une portée maximale de 100 m et une résolution de l’ordre du centimètre
- Certaines entreprises adoptent une approche multi-beam
- Elles n’illuminent qu’une partie de l’environnement dans laquelle le détecteur doit chercher l’information
- Cela permet d’envoyer plus de puissance optique vers un plus petit nombre de pixels pertinents, augmentant ainsi le rapport signal sur bruit
- Cette approche se rapproche d’une combinaison entre LiDAR à balayage et Flash LiDAR
- L’absence de pièces mobiles améliore la fiabilité du système, sa résistance aux vibrations et sa vitesse de capture des données
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Optical Phased Array LiDAR
- Le LiDAR OPA (Optical Phased Array) cherche à implémenter un LiDAR à balayage sur puce via la photonique sur silicium, et en est encore au stade de la recherche
- Le concept est issu des antennes réseau à commande de phase, où l’on ajuste la phase de chaque signal dans un réseau d’antennes pour balayer le faisceau rayonné
- Dans un OPA, les changements de phase sont réalisés à l’aide de guides d’onde optiques intégrés ou de chauffages intégrés
- Les chauffages ralentissent la lumière via le thermo-optic coupling
- En fonction du changement de phase, la direction du front d’onde rayonné peut être balayée dans l’espace 3D
- Ses avantages sont une vitesse de balayage élevée grâce au contrôle électronique et à l’élimination des pièces mobiles
- Le fait de pouvoir l’implémenter de manière entièrement intégrée sur des wafers silicium de 300 mm le rend attractif du point de vue des coûts et de la fiabilité
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Défis techniques de l’OPA
- L’application des réseaux à commande de phase aux fréquences optiques introduit des difficultés supplémentaires
- Gestion thermique : il faut évacuer efficacement la chaleur générée par les nombreuses sources laser sur la puce
- Espacement des éléments : dans un réseau à commande de phase, l’espacement entre éléments doit être d’une demi-longueur d’onde ; avec un laser à 1550 nm, chaque source optique doit donc être placée à moins de 1 micromètre
- Angle de balayage : le faisceau de meilleure qualité est obtenu en boresight, c’est-à-dire face au réseau ; au-delà de 60° par rapport au centre, les grating lobes dégradent la largeur du faisceau
- Analog Photonics est une société issue du MIT, fondée par le professeur Michael Watts, qui travaille à la commercialisation de la technologie OPA
1 commentaires
Avis de Hacker News
Comme aperçu de base, c’est raisonnable.
Je suis surpris que les scanners rotatifs soient encore utilisés. Cela fait 20 ans que Velodyne les a créés pour la première fois ; ils fonctionnent correctement, mais ils sont beaucoup trop chers. Je pensais que le LiDAR flash ou les miroirs MEMS les remplaceraient. Continental a bien racheté il y a plus de dix ans une entreprise pionnière du LiDAR flash, mais le marché de masse dont aurait besoin un grand équipementier n’a finalement jamais émergé.
Waymo utilise toujours du LiDAR rotatif même pour les petits capteurs aux coins du véhicule. Ceux-là ont moins besoin de mesurer de longues distances, donc il faudrait une alternative bon marché et intégrée dans la carrosserie. Leur emplacement est trop vulnérable. Quelque chose comme un radar à réseau phasé en ondes millimétriques monté derrière des panneaux de carrosserie en fibre de verre pourrait peut-être fonctionner. Waymo devra résoudre ce problème avant d’arriver à New York.
Le LiDAR sur le toit n’est peut-être pas un problème. Dire qu’« il doit disparaître parce que la voiture doit ressembler à une voiture » revient un peu à insister pour que les automobiles aient la forme de voitures hippomobiles. Les premières voitures ressemblaient à des calèches, mais cela n’a pas duré.
Le grand avantage du LiDAR pulsé par rapport aux approches à onde continue est que les problèmes d’interférence entre appareils identiques sont bien moindres. Le cycle utile est très faible, et les données d’aller-retour d’une impulsion sont collectées en moins d’une microseconde. En ajoutant un peu d’aléatoire dans le timing des impulsions, les collisions répétées en continu disparaissent.
Les anciens appareils Velodyne étaient vulnérables aux dommages si deux unités restaient allumées côte à côte. J’ai aussi entendu proposer, pour des appareils similaires, d’utiliser l’heure GPS afin de synchroniser la rotation de tous les appareils pour qu’ils ne se pointent pas les uns vers les autres, mais en pratique cela ne semblait pas être un gros problème.
La plupart des LiDAR automobiles fonctionnent déjà dans une zone où les « photons manquent », avec environ 200 à 300 photons par réflexion[0]. Si l’on répartit cela sur toute la scène, le rapport signal/bruit chute rapidement.
C’est pourquoi il faut utiliser 1550 nm, et à 1550 nm, les grandes matrices de détecteurs et les lasers haute puissance sont très coûteux.
Pour les MEMS, cela fait un moment, mais je me souviens qu’il y avait des inquiétudes sur le champ de vision/l’amplitude de pointage, la vitesse de pointage et la puissance maximale du faisceau.
Mon ami Jake, qui travaille sur le LiDAR, m’a dit que la taille de l’ouverture est aussi un problème des MEMS. Si l’ouverture est petite, moins de lumière est collectée et le rapport signal/bruit baisse.
[0] https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsu-photonics/si...
Pour comprendre pourquoi un laser rotatif est pertinent, il faut savoir quelques choses sur le LiDAR.
D’abord, tout dispositif qui émet de la lumière sous forme de cône subit une décroissance en inverse du carré. Quand la distance double, la lumière reçue par unité de surface est divisée par quatre. C’est particulièrement visible en photo de nuit au flash, mais cela s’applique aussi au LiDAR. Dans l’automobile, il faut idéalement détecter des objets à 100 m, donc éclairer un point laser est beaucoup plus réaliste que d’éclairer toute la scène.
Ensuite, quelle que soit la source lumineuse, elle doit être sûre pour les yeux. L’infrarouge présente des avantages de sécurité par rapport à la lumière visible, mais rendre une source lumineuse assez intense pour éclairer un objet à 100 m tout en restant sûre est très difficile, même en tenant compte des avantages de l’infrarouge. Un laser à balayage ne reste pas longtemps sur un point, ce qui permet d’utiliser en sécurité une intensité plus élevée.
Troisièmement, quelle que soit la source lumineuse, elle doit rivaliser avec le soleil. Le soleil peut être bas et éblouir directement le capteur, ou éclairer le même objet que l’on cherche à détecter. On ne peut donc pas compenser une source faible et la décroissance en inverse du carré uniquement avec un traitement du signal malin.
Enfin, ces constructeurs automobiles envisagent un avenir où tous les véhicules sur la route utiliseront cette technologie. Il y a alors aussi un risque d’interférence entre les signaux réfléchis de véhicules différents. Le LiDAR rotatif peut aussi y être vulnérable, mais le LiDAR flash l’est particulièrement.
En revanche, les constructeurs automobiles n’ont pas peur des pièces mobiles. Les voitures contiennent déjà beaucoup de pièces en rotation, et ils maîtrisent largement la fabrication d’objets capables de tourner en continu pendant des milliers d’heures.
Les coins sont l’emplacement de montage optimal pour une visibilité maximale. Ils permettent pratiquement à la voiture de voir au-delà des virages, d’une manière impossible avec un capteur monté au centre.
Je ne vois pas pourquoi Waymo devrait résoudre cela avant New York. À cause du vandalisme ?
Il y a eu il y a quelques années sur Hacker News une intéressante « pépite LiDAR ».
https://news.ycombinator.com/item?id=33554679
Il s’agit d’un algorithme de détection d’obstacles LiDAR provenant d’un dépôt Git divulgué sur Tor.
C’est un algorithme de cartographie de zone praticable trouvé dans un dépôt Git apparemment divulgué en 2017 depuis une entreprise de véhicules autonomes. Ce dépôt a été accessible pendant plusieurs années via un ou plusieurs services cachés Tor.
Le code LiDAR semble avoir été écrit pour un Velodyne HDL-32E. Il fonctionne en plusieurs étapes, chacune raffinant la sortie de l’étape précédente. Cet algorithme est dans la deuxième étape ; les autres méthodes n’ajoutant que de petites améliorations, c’est donc la principale méthode de détection d’obstacles.
Le code divulgué utilise une matrice de points en ordre colonne d’abord et traite explicitement les NaN, c’est-à-dire les points sans retour. Je l’ai réécrit avec une disposition matricielle en ordre ligne d’abord, bien plus efficace pour le cache, et avec des conditions qui ignorent les points NaN sans test explicite.
Vu sa simplicité, c’est une méthode de détection d’obstacles étonnamment efficace.
C’est pour un ami.
J’ai travaillé sur un LiDAR FMCW automobile qui n’a quasiment jamais atteint le marché. C’est une belle technologie, mais il était difficile de réduire les coûts pour passer à l’échelle, et c’est crucial sur le marché automobile. Les marges y sont très faibles.
Le LiDAR est-il dangereux pour les yeux des autres conducteurs ou des piétons ?
Ces classes sont attribuées selon qu’il est acceptable ou non de coller son œil tout près du faisceau pendant une longue durée
« Le superpouvoir particulier du LiDAR, c’est qu’il peut produire une image haute résolution de l’environnement bien meilleure que celle du radar. »
Est-ce vraiment exact ? Les radars automobiles sont fixes. Les LiDAR similaires sont eux aussi fixes et j’imagine qu’ils ont n points pour n lasers
Avec un radar rotatif, on pourrait voir l’environnement avec une résolution continue, alors que le LiDAR échantillonne, non ?
Je pensais que l’avantage du LiDAR tenait à sa meilleure précision et à sa capacité à mieux mesurer la hauteur des objets, tandis que le radar a tendance à aplatir la scène
C’est une chouette technologie que Musk déteste
1: https://www.youtube.com/watch?v=d6RndtrwJKE&t=1119s
Il y a une raison pour laquelle il n’existe rien de comparable dans la nature
Existe-t-il un appareil LiDAR que l’on puisse ramener chez soi pour scanner sa maison avec une résolution supérieure à celle d’un iPhone ?
Côté grand public, la photogrammétrie est beaucoup moins chère et donc généralement préférée si l’on n’a pas besoin d’un niveau de détail élevé avec une précision garantie. Le LiDAR convient aujourd’hui davantage aux contextes industriels/professionnels, parce qu’il est plus précis. La grande question non résolue est de savoir si le LiDAR pourra descendre à un niveau de coût grand public, ce qui est au fond le même problème que dans l’automobile
Cette « tombe » apparente avait à peu près la taille et la forme d’une personne, le sol était affaissé en creux avec le point le plus profond au centre, et elle était entourée de pierres un peu plus grosses qu’un pamplemousse
Si je soupçonne qu’il s’agit d’une tombe, c’est parce que je suis tombé par hasard sur quelque chose de très similaire sur le site historique du cimetière de Mercur, dans le comté de Tooele, en Utah
Le LiDAR pourrait-il prouver ou réfuter mon hypothèse de tombe ?
Article lié : https://www.viksnewsletter.com/p/teslas-big-bet-cameras-over...
Cela semble d’un niveau similaire à Tesla, mais Waymo ne semble pas considérer ce niveau comme suffisant
[1] https://www.forbes.com/sites/bradtempleton/2024/10/30/waymo-...
[2] https://arxiv.org/pdf/2410.23262
Pourquoi le LiDAR coûte-t-il si cher ? Il doit encore être miniaturisé. Mais avec suffisamment d’efforts d’ingénierie, cela semble être un problème que le temps réglera
Avec un simple pointeur laser grand public, on peut déjà être aveuglé ; je me demande donc s’il existe des systèmes pour empêcher les attaques hostiles ou les attaques par déni de service contre les LiDAR
Si quelqu’un se met à attaquer physiquement un système de sécurité, je pense qu’il risque une peine de prison assez longue
À l’époque où je travaillais comme ingénieur de recherche à l’université, j’avais manipulé un Velodyne 16 faisceaux, du temps où c’était du matériel haut de gamme
Le jour de la démonstration, nous l’avions monté sur une voiture : il dessinait les points en 3D et marquait les obstacles en rouge, mais au coucher du soleil, un artefact est apparu, sans moyen évident de le filtrer
Curieusement, nous n’avons jamais réussi à reproduire le phénomène. Je pense que c’était dû à certaines conditions atmosphériques particulières