Caractéristiques et propriétés des ondes
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Observer
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Pondichéry • Avril 2015
Exercice 3 • 5 points
« 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…
Un odomètre mesure la distance parcourue par la voiture.
*LlDAR
L'objectif de cet exercice est d'étudier quelques capteurs présents dans une voiture autonome.
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'ultraviolet à l'infrarouge.
- 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.
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–1 |
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 × 108 m · s–1.
1. Propriétés de quelques capteurs présents dans la voiture autonome
| 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 |
Si l'objet se rapproche de l'émetteur, la fréquence de l'onde réfléchie ………………………..
Si l'objet s'éloigne de l'émetteur, la fréquence de l'onde réfléchie ………………………..
2. 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
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 Δt1
3. Répondre de façon argumentée
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 ?
On rédigera une réponse argumentée en s'appuyant sur des informations tirées des différents documents utilisés, y compris le tableau de l'annexe. (0,75 point)
Annexe
Tableau à compléter
| Capteur | Type d'onde utilisée par le capteur : mécanique / électromagnétique | Points forts | Points faibles |
| Radar | ……………………. | Longue portée, robustesse face aux conditions météorologiques, bonne performance de détection. | Pollution électromagnétique, coût relativement élevé, encombrement, interférences électromagnétiques. |
| Capteurs à ultrasons | ……………………. | Réalisation simple, coût abordable traitement simple des données. | Précision de détection sujette à la température, sensibilité aux conditions météorologiques. |
| Capteur laser (LIDAR) | ……………………. | Longue portée, grande précision, bonne résolution, coût accessible. | Dérèglements fréquents, grande sensibilité aux conditions météorologiques, interférences. |
Notions et compétences en jeu
Caractéristiques et propriétés des ondes.
Conseils du correcteur
Partie 1
Partie 2
1. PROPRIÉTÉS DE QUELQUES CAPTEURS PRÉSENTS DANS LA VOITURE AUTONOME
1 Identifier les différents types d'onde
Notez bien
Les ondes sonores et ultrasonores sont des ondes mécaniques.
Les ondes radio, la lumière visible, les ultraviolets et les infrarouges sont des ondes électromagnétiques.
| Capteur | Type d'onde utilisée par le capteur : mécanique / électromagnétique | Points forts | Points faibles |
| Radar | | Longue portée, robustesse face aux conditions météorologiques, bonne performance de détection. | Pollution électromagnétique, coût relativement élevé, encombrement, interférences électromagnétiques. |
| Capteurs à ultrasons | | Réalisation simple, coût abordable, traitement simple des données. | Précision de détection sujette à la température, sensibilité aux conditions météorologiques. |
| Capteur laser (LIDAR) | | Longue portée, grande précision, bonne résolution, coût accessible. | Dérèglements fréquents, grande sensibilité aux conditions météorologiques, interférences. |
2 Calculer une longueur d'onde
Bande de fréquence de l'onde radio émise :
f1
Longueurs d'onde correspondantes :
λ1
λ2
La bande d'ondes radio utilisées est donc la bande W.
3 Connaître le principe de l'effet Doppler
Si l'objet
Si l'objet
2. PLAGE DE DÉTECTION D'UN OBSTACLE POUR LE « RADAR DE RECUL »
1 Légender un schéma
Notez bien
La période est la durée nécessaire pour qu'un événement se reproduise identique à lui-même.
2 Schématiser un dispositif
3 Calculer un retard
La célérité de l'onde est celle du son dans l'air soit v
Δt 
Cela correspond bien à la valeur donnée.
4 Justifier une réponse
Si la distance d entre l'objet et le capteur est plus courte, le temps de réception va lui aussi être plus court puisque Δt est proportionnel à d. Cela veut dire que la réception du signal se fera alors que le récepteur est inactif. La détection ne sera pas satisfaisante.
5 Émettre une hypothèse
Pour pouvoir détecter des obstacles situés plus près, il faut que la durée d'inactivité du récepteur soit plus courte. Il faut donc diminuer la durée de la salve.
6 Émettre une hypothèse
Pour détecter correctement les obstacles, il faut que le signal reçu après réflexion parvienne au capteur avant que celui-ci n'émette la salve suivante. Il faut donc que le retard mesuré soit inférieur à la période du signal émis par le capteur.
3. Répondre de façon argumentée
Lors d'un déplacement autonome, il y a une multitude de facteurs à prendre en compte. Chacun des capteurs implantés permet de répondre partiellement à ces problématiques.
- Le radar ACC permet de réguler la vitesse dans le trafic si celle-ci est suffisamment élevée (20 km/h) et que les obstacles sont suffisamment éloignés (1 m).
- Les capteurs à ultrasons permettent, quant à eux, de repérer les obstacles plus proches.
- Pour terminer, les capteurs lasers sont trop souvent sujets à dérèglements et donc ne sont pas suffisamment fiables pour être utilisés seuls.