Les ondes au service de la voiture du futur

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Caractéristiques et propriétés des ondes
Type : Exercice | Année : 2015 | Académie : Pondichéry
Corpus Corpus 1
Les ondes au service de la voiture du futur

Caractéristiques et propriétés des ondes

pchT_1504_12_02C

Observer

7

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 &ndash 77 GHz

Portée minimale - Portée maximale

1 m &ndash 120 m

Activation du capteur

vitesse > 20 km &middot h&ndash 1
 

Données

  • Célérité du son dans l’air à 20 &deg C : v = 343 m &middot s&ndash 1.
  • Célérité de la lumière dans le vide ou dans l’air : c = 3,0 &times 108 m &middot s&ndash 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 &ndash 100 m

L

15 cm &ndash 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 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 ultra&shy sonores 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 dmin et sa portée maximale dmax en précisant leurs valeurs. (0,5 point)

3 Vérifier que pour la distance dmin 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 dmin ? 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.