Carnet de bac

« 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.

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 = 3,0·10⁸m·s^-1.

1.3. 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 :

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 ∆t₁ = 1,7 ms avec une périodicité ∆t₂ = 12 ms. La figure ci-dessous illustre ce fonctionnement.

2.1. Légender la figure de l’annexe à rendre avec la copie en indiquant les durées ∆t₁ et ∆t₂.

2.2. 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.

2.3. Vérifier que pour la distance d_min entre le capteur et l’obstacle, la durée entre l’émission et la réception est égale à ∆t₁.

2.4. Si la durée que met l’onde émise pour revenir au capteur est inférieure à ∆t₁, pourquoi le capteur ne peut-il pas détecter l’obstacle de manière satisfaisante ? Justifier la réponse.

2.5. 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.

2.6. Montrer que la valeur de la portée maximale de ce capteur est liée essentiellement à une des caractéristiques du signal émis.

3. 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.

Tableau à compléter