Les applications de l'effet DopplerExercice type bac

Les ondes au service de la voiture du futur

"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...

*LlDAR = 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'ultraviolet à l'infrarouge.

Extrait d'une notice de "radar de recul" (aide au stationnement)

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 environ 76 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´10 8 m.s-1

Propriétés de quelques capteurs présents dans la voiture autonome

On donne le tableau regroupant les propriétés des différents capteurs utilisés dans la voiture autonome :

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
a

Afin de compléter le tableau ci-dessus, indiquer le type d'onde utilisée par le radar :

b

Afin de compléter le tableau ci-dessus, indiquer le type d'onde utilisée par le capteur à ultrasons :

c

Afin de compléter le tableau ci-dessus, indiquer le type d'onde utilisée par le LIDAR :

a

D'après les documents, que sait-on sur la fréquence des ondes utilisées par le capteur radar de l'ACC ?

b

Quel calcul donne alors la longueur d'onde correcte des ondes utilisées par le capteur radar de l'ACC ?

c

À l'aide du tableau ci-dessous, déterminer le nom de la bande d'ondes radio utilisées par le
capteur radar de l'ACC.

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

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 :

"Si l'objet se rapproche de l'émetteur, la fréquence de l'onde réfléchie...".

Quel mot doit compléter la phrase précédente ?

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 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 ultrasonores de durée \Delta t_1 = 1{,}7 ms avec une périodicité \Delta t_2 = 12 ms.

La figure ci-dessous illustre ce fonctionnement.

-
a

Quelle est la bonne légende de la figure précédente ?

b

Quel calcul permet de vérifier que pour la distance dmin entre le capteur et l'obstacle, la durée entre l'émission et la réception est égale à \Delta t_1 ?

c

Si la durée que met l'onde émise pour revenir au capteur est inférieure à \Delta t_1, pourquoi le
capteur ne peut-il pas détecter l'obstacle de manière satisfaisante ?

d

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 ?

e

Quel est le calcul correct de la durée écoulée entre l'émission et la réception des ultrasons lorsque la distance capteur − obstacle est égale à portée maximale d_{max} = 2{,}0 m ?

Les radars, les capteurs ultrasonores et les capteurs lasers permettent avec des similitudes dans leur principe de fonctionnement de détecter un obstacle.

Quelles sont deux des raisons pour lesquelles on n'utilise pas alors un seul de ces trois types de capteurs dans un projet de voiture autonome ?

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