Les ondes au service de la voiture du futur

Corpus Corpus 1

Caractéristiques et propriétés des ondes

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Observer

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 = Light Detection And Ranging

L’objectif de cet exercice est d’étudier quelques capteurs présents dans une voiture autonome.

Document 1

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’ultraviolet à l’infrarouge.

Document 2

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.

Document 3

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^–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

1 Compléter le tableau de l’annexe en précisant pour chaque capteur le type d’ondes utilisées. (0,75 point)

2 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. (0,75 point)

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

3 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 : (0,5 point)

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 d_min = 0,30 m d’après la notice. Cela signifie qu’un obstacle situé à une distance du capteur inférieure à d_min 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 Δt₁ = 1,7 ms avec une périodicité Δt₂ = 12 ms. La figure ci-après illustre ce fonctionnement.

1 Légender la figure de l’annexe en indiquant les durées Δt₁ et Δt₂. (0,5 point)

2 Faire un schéma représentant un capteur détectant un obstacle et y faire apparaître sa portée minimale d_min et sa portée maximale d_max en précisant leurs valeurs. (0,5 point)

3 Vérifier que pour la distance d_min entre le capteur et l’obstacle, la durée entre l’émission et la réception est égale à Δt₁. (0,5 point)

4 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. (0,25 point)

5 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 d_min ? Justifier votre réponse. (0,25 point)

6 Montrer que la valeur de la portée maximale de ce capteur est liée essentiellement à une des caractéristiques du signal émis. (0,25 point)

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.

Clés du sujet

Notions et compétences en jeu

Caractéristiques et propriétés des ondes.

Conseils du correcteur

Partie 1

2 Pensez à calculer la longueur d’onde.

3 Ne justifiez pas, ce n’est qu’une question de cours.

Partie 2

2 Pensez à bien lire l’énoncé : tout y est !

5 La réponse se trouve sur le schéma de l’énoncé.

Corrigé

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	électromagnétique	Longue portée, robustesse face aux conditions météorologiques, bonne performance de détection.	Pollution électromagnétique, coût relativement élevé, encombrement, interférences électromagnétiques.
Capteurs à ultrasons	mécanique	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.

2 Calculer une longueur d’onde

Bande de fréquence de l’onde radio émise :

f₁ = 76 GHz et f ₂ = 77 GHz

Longueurs d’onde correspondantes :

λ₁== = 3,9 × 10^–3 m = 3,9 mm

λ₂=== 3,9 × 10^–3 m = 3,9 mm

La bande d’ondes radio utilisées est donc la bande W.

3 Connaître le principe de l’effet Doppler

Si l’objet se rapproche de l’émetteur, la fréquence de l’onde réfléchie augmente.

Si l’objet s’éloigne de l’émetteur, la fréquence de l’onde réfléchie diminue.

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 = 343 m/s. Si l’obstacle est à une distance d_min du capteur, cela veut dire que l’onde parcourt la distance d = 2d_min pour faire l’aller-retour. Il lui faut donc une durée :

Δt = = 2 ×  = 1,7 × 10^–3 s = 1,7 ms = Δt₁

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.

Pas encore de compte ?

Les ondes au service de la voiture du futur

1. Propriétés de quelques capteurs présents dans la voiture autonome

2. Plage de détection d’un obstacle pour le « radar de recul »