Architecture en oxyde de zinc combinant la détection des ultraviolets et de la polarisation pour l'estimation du cap optique – ECOPOL

Le projet ECOPOL vise à développer une nouvelle modalité de détection de cap pour fiabiliser la navigation des robots mobiles autonomes en environnements complexes (e.g., centre historique, environnements à ciel occulté partiellement) ou dépourvus d’accès au GNSS (GNSS pour « Global Navigation Satellite System »). Le guidage au moyen du GNSS nécessite d’avoir accès à des balises émettrices satellitaires, tout autant que le guidage au moyen d’antennes terrestres (réseaux RTK, 4G, ou 5G) pour corriger les signaux GNSS, tous étant sensibles à la configuration environnementale, au nombre d’antennes ou de satellites visibles, mais aussi aux conditions météo. Classiquement, un robot mobile autonome est équipé d’une triple redondance pour se localiser : un SLAM lidar (SLAM pour « Simultaneous Localization And Mapping »), un SLAM au moyen de caméras stéréoscopiques, et enfin une fusion GPS – IMU – encodeurs, lui permettant de se localiser. Malheureusement, la complexité environnementale et les conditions météo peuvent parfois mettre en défaut l’estimation du vrai nord géographique, actuellement obtenu par la fusion d’un compas magnétique et du GPS.

L’orientation vers le vrai nord géographique (pôle Nord terrestre) est ainsi une information capitale pour orienter convenablement la carte générée par les algorithmes SLAM ainsi que le robot en référence au vrai nord géographique. Faute de quoi, cela contraindrait le robot autonome à s’arrêter, ralentir, ou demander une reprise de contrôle à distance pour le téléopérer. ECOPOL vise donc à doter les robots mobiles autonomes d’une troisième redondance de détection de cap absolue, celle-ci sera complètement découplée des deux précédentes et permettra d’augmenter le domaine d’opération des robots mobiles autonomes aussi bien civils que militaires.

Cette troisième redondance de détection de cap ECOPOL permettra d’être résilient aux environnements perturbés magnétiquement, mais aussi d’être insensible aux brouillages ou à l’usurpation des signaux GNSS. Pour cela, ECOPOL s’inspire du système de navigation des insectes navigateur reposant sur des techniques de localisation peu connues. Cette boussole ECOPOL reposera sur une information de cap obtenue par l’observation de la lumière polarisée du ciel. Le cap céleste sera détecté de manière absolue par la boussole ECOPOL en exploitant uniquement le rayonnement ultraviolet polarisé issu du ciel comme le font les insectes. Le rayonnement ultraviolet étant peu affecté par la couverture nuageuse, la pluie ou le brouillard, ECOPOL se focalisera sur la détection du patron de polarisation diurne, même si ce dernier est fortement atténué, mais il est semblable de nuit.

Dans ECOPOL, des photodétecteurs nanostructurés à base d’oxyde de zinc (ZnO) seront développés pour détecter rapidement et efficacement la polarisation de la lumière ultraviolette. Pour mener à bien ECOPOL, le savoir-faire acquis par les instituts ISM et IM2NP d’AMU sera combiné avec les procédés de fabrication innovants de SOLNIL, SOLNIL développant des procédés de nano-impression à bas-coût exploitant des oxydes métalliques. Le ZnO sera exploité, non seulement pour sa sensibilité aux ultraviolets, mais aussi pour son abondance et son faible impact carbone dans sa mise en œuvre lors des procédés de fabrication. Afin de rendre les photodétecteurs ZnO sensibles à la polarisation, une architecture anisotrope sous forme de nano-fils parallèles organisés avec un motif périodique sera simulée, optimisée, puis fabriquée pour évaluer sa sensibilité aux ultraviolets et à leur polarisation dans la gamme 350-380 nm. Deux pistes seront explorées pour induire une fonction optique de polariseur : soit par une nano structuration d'une électrode interdigitée, soir par une nano structuration du ZnO. Les photodétecteurs ZnO seront ensuite assemblés sous la forme d’une petite matrice 2x2 ou 4x4 pour évaluer la boussole ECOPOL en conditions réelles extérieures sous différentes conditions météo.