Les ondes au service de la voiture du futur. Bac S Inde 2015


« Sans les mains ! C’est de cette manière que vous pourrez, peut-être très bientôt, conduire votre
prochaine voiture... ». Cette phrase évoque ici la voiture autonome dont la commercialisation sera
lancée aux alentours de 2020.
Cette voiture « se conduira seule », car elle aura une perception globale de son environnement grâce à la contribution de plusieurs capteurs :
télémètre laser à balayage (LIDAR*), caméra, capteurs à infrarouge, radars, capteurs laser, capteurs à ultrasons, antenne GPS …
*LIDAR = Light Detection And Ranging
Un odomètre mesure la distance parcourue par la voiture.
L’objectif de cet exercice est d’étudier quelques capteurs présents dans une voiture autonome.
Principe de fonctionnement des capteurs.
Les radars, capteurs ultrasonores et lasers sont tous constitués d’un émetteur qui génère une onde pouvant se réfléchir sur un obstacle et d’un capteur qui détecte l’onde réfléchie. Le capteur permet de mesurer la durée entre l’émission et la réception de l’onde après réflexion sur l’obstacle. Le radar utilise des ondes radio. Le sonar utilise des ultrasons tandis que le laser d’un LIDAR émet des impulsions allant de l’ultra-violet à l’infrarouge.
Extrait d'une notice de "radar de recul" ( aide au stationnement)

- En marche arrière le « radar de recul »
se met en fonction automatiquement.
- L’afficheur indique la distance de
l’obstacle détecté pour des valeurs
comprises entre 0,3 m et 2 m.
- L’afficheur dispose d’un buzzer intégré
qui émet un signal sonore dont la
fréquence évolue en fonction de la
distance à l’obstacle. 


Extrait d’un document d’un constructeur automobile : système autonome de régulation de vitesse ACC.
Le système ACC traite les informations d’un capteur radar afin d'adapter la vitesse de la voiture en
fonction des véhicules qui la précèdent. Les caractéristiques du capteur radar d’un système ACC
sont données ci-dessous.
FonctionnalitéDétermine la distance, la vitesse et la
direction d’objets mobiles roulant devant
le véhicule
Fréquence d'émission76 - 77 GHz
Portée minimale - portée maximale 1 m - 120 m
Activation du capteurvitesse > 20 km/h
Données :
- célérité du son dans l’air à 20°C : v = 343 m.s-1 ;
- célérité de la lumière dans le vide ou dans l’air : c = 3,0 x 108 m.s-1.
Propriétés de quelques capteurs présents dans la voiture autonome.
Compléter le tableau en précisant pour chaque capteur le type d’ondes utilisées.
CapteurType d’onde utilisée par
le capteur : mécanique /
électromagnétique
Points fortsPoints faibles
RadarélectromagnétiqueLongue portée, robustesse
face aux conditions
météorologiques, bonne
performance de détection.
Pollution électromagnétique,
coût relativement élevé,
encombrement, interférences
électromagnétiques.
Capteurs
à
ultrasons
mécaniquesRéalisation simple, coût
abordable, traitement
simple des données.
Précision de détection sujette
à la température, sensibilité
aux conditions
météorologiques.
Capteur
laser
(LIDAR)
électromagnétiqueLongue portée,
grande précision, bonne
résolution, coût
accessible.
Dérèglements fréquents,
grande sensibilité aux
conditions météorologiques,
interférences.
À l’aide du tableau ci-dessous, déterminer le nom de la bande d’ondes radio utilisées par le
capteur radar de l’ACC. Justifier votre réponse à l’aide d’un calcul.

Nom de bande d'ondes radioLongueurs d'onde  dans le vide
HF10 m - 100 m
L15 cm - 30 cm
W2,7 mm - 4,0 mm
f ~ 77 109 Hz ; l = c / f ~3,0 108 /(77 109) ~ 3,9 10-3 m = 3,9 mm.
La vitesse relative (différence de vitesse) entre la voiture équipée du système ACC et un objet
peut être calculée par le biais de l'effet Doppler. Recopier en les complétant les deux phrases
suivantes :
Si l'objet se rapproche de l'émetteur, la fréquence de l'onde réfléchie croît.
Si l'objet s'éloigne de l'émetteur, la fréquence de l'onde réfléchie diminue
.




Plage de détection d’un obstacle pour le « radar de recul »
Ce « radar de recul » est composé de quatre capteurs ultrasonores identiques. Chacun de ces capteurs a une portée minimale dmin = 0,30 m d’après la notice. Cela signifie qu’un obstacle situé à une distance du capteur inférieure à dmin ne sera pas détecté.
Le capteur est constitué d’un matériau piézo-électrique utilisé à la fois pour fonctionner en mode émetteur ou en mode récepteur. Il ne peut fonctionner correctement en récepteur que lorsqu’il a fini de fonctionner en émetteur. Pour cette raison, le capteur génère des salves ultrasonores de durée Dt1 = 1,7 ms avec une périodicité Dt2 = 12 ms. La figure ci-dessous illustre ce fonctionnement.
Légender la figure de l’annexe à rendre avec la copie en indiquant les durées
Dt1 et Dt2.

.


Faire un schéma représentant un capteur détectant un obstacle et y faire apparaître sa portée minimale dmin et sa portée maximale dmax en précisant leurs valeurs.

Vérifier que pour la distance dmin entre le capteur et l’obstacle, la durée entre l’émission et la réception est égale à Dt1.
2dmin = v Dt1 =343*1,7 10-3 =0,58 m ; dmin =0,29 m.
Si la durée que met l’onde émise pour revenir au capteur est inférieure à Δt1, pourquoi le capteur ne peut-il pas détecter l’obstacle de manière satisfaisante ? Justifier la réponse.
Le capteur fonctionne en récepteur et en émetteur. Le récepteur reste inactif durant toute la durée de l'émission.
Quelle caractéristique du signal de l’émission doit-on alors modifier pour que le capteur puisse détecter un obstacle situé à une distance inférieure à dmin ? Justifier votre réponse.
La salve est constituée de 3 périodes ; en augmentant la fréquence du signal, on diminue Dt1, donc dmin.
Montrer que la valeur de la portée maximale de ce capteur est liée essentiellement à une des caractéristiques du signal émis.
dmax =½ v Dt2  =0,5*343 *0,012 ~2,1 m ;   la portée maximale dépend de la périodicité des salves.
Les radars, les capteurs ultrasonores et les capteurs lasers permettent avec des similitudes dans leur principe de fonctionnement de détecter un obstacle. Pourquoi ne pas utiliser alors un
seul de ces trois types de capteurs dans un projet de voiture autonome ?
Chaque capteur possède un coût, un encombrement, des points forts et des points faibles. La voiture autonome doit rester fiable en toutes circonstances, ne pas coûter trop cher, ne pas devenir trop volumineuse ou massive du fait des capteurs. Le traitement des données issues des capteurs ne doit pas être trop complexe.
Elle doit de plus limiter la pollution électromagnétique, ne pas provoquer d'interférences.
Ainsi dans une manoeuvre de recul, des capteurs à ultrasons sont suffisants.
Par contre pour déterminer la présence d'autres véhicules et leur vitesse sur la route ou autoroute le radar et le Lidar se complètent bien dans différentes conditions météorologiques.

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