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.

Fonctionnalité	Détermine la distance, la vitesse et la direction d’objets mobiles roulant devant le véhicule
Fréquence d'émission	76 - 77 GHz
Portée minimale - portée maximale	1 m - 120 m
Activation du capteur	vitesse > 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.

Capteur	Type d’onde utilisée par le capteur : mécanique / électromagnétique	Points forts	Points faibles
Radar	électromagnétique	Longue portée, robustesse face aux conditions météorologiques, bonne performance de détection.	Pollution électromagnétique, coût relativement élevé, encombrement, interférences électromagnétiques.
Capteurs à ultrasons	mécaniques	Réalisation simple, coût abordable, traitement simple des données.	Précision de détection sujette à la température, sensibilité aux conditions météorologiques.
Capteur laser (LIDAR)	électromagnétique	Longue 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 radio	Longueurs d'onde dans le vide
HF	10 m - 100 m
L	15 cm - 30 cm
W	2,7 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.