Protocole expérimental d'utilisation du capteur à ultrason

Protocole expérimental d’utilisation du capteur à ultrason dans une voiture autonome

On cherche à calculer la distance séparant la voiture d’un obstacle pour faire une manœuvre, en utilisant la vitesse de propagation du son et le temps mis par ces ultrasons pour faire le chemin pour trouver la distance entre la voiture et les obstacles éventuels. On considère pour cette expérience que la voiture est immobile car il serait trop complexe dans le cadre d’un TPE, de prendre en compte un mouvement de la voiture, que ce soit une accélération ou un ralentissement. En effet les principes fondamentaux sont les mêmes, mais il faut réussir à prendre en compte les mouvements de la voiture  dans les calculs.

Matériel nécessaire :

• un émetteur d’ultrasons
• un capteur d’ultrason
• un objet qui renvoie le son (écran ...) on pourra changer le matériau pour observer les effets sur la réception des ultrasons.
• un oscilloscope
• un générateur
• un thermomètre

Données connues au départ :

• On connait la vitesse du son à 0°C: 331,5 m/s. Mais elle dépend de la température et de l’altitude. En effet la température agit sur la vitesse du son, car à 20°C, la vitesse est de 343,3 m.s^-1. Mais ici l’expérience est réalisée en milieu intérieur avec une température ambiante et constante de 20°C. Un autre groupe de TPE (avec l’aide d’un membre de notre groupe) a fait une expérience pour savoir si la température pouvait influencer la vitesse de propagation des ultrasons, ils ont trouvé que lorsque la température baisse, la vitesse du son fait de même (voir compte-rendu de l’expérience sur l’importance des effets des changements de température sur la vitesse du son) En conditions extérieures, on peut se demander si un thermomètre pour ajuster les calculs est nécessaire. (réponse dans l'autre protocole expériemental)

• La distance ‘obstacle-voiture' ou ‘obstacle-émetteur/récepteur’ est connue et mesurée.

Mise en place du matériel :

• Il faut installer l’émetteur à côté du récepteur d’ultrason relié à un oscilloscope et tous deux branchés à un générateur, il faut aussi mettre un objet réflecteur à une distance connue que nous mesurons et que nous cherchons à trouver par le calcul. Nous rajoutons ici un thermomètre pour nous permettre d’ajuster la vitesse du son.

Protocole :

• On veut mesurer le temps que prennent les ultrasons pour atteindre l’objet et revenir au capteur.
• On met en marche le générateur pour activer l’émetteur, le récepteur et l’oscilloscope pour capter les informations. On calcule le temps qui sépare deux pics sur l’oscilloscope, un pic étant la réception des ultrasons.
• Sachant qu’on connait la vitesse et le temps pris par les ultrasons on peut calculer la distance séparant l’objet du capteur (donc l’obstacle de la voiture) sans oublier dans ce le cas de figure de l’immobilité de la voiture, de diviser par deux la distance obtenue pour n’avoir que le temps « aller ».
• On vérifie nos calculs par la suite en évaluant avec un instrument de mesure la distance séparant l’objet du capteur. 
• On calcule la marge d’erreur.

Résultats trouvés lors des manipulations :

Méthode de calcul :

Calculer la distance entre le complexe émetteur/récepteur et l’obstacle :

On connaît la vitesse du son, et on mesure le temps que mettent les ultrasons pour aller jusqu’à l’obstacle (t_aller=)

Et on applique la relation :  , Avec v, étant une vitesse ; d, une distance et t un temps. 

Ici, nous voulons calculer une distance en fonction d’un temps et d’une vitesse. On utilise : d=v*t.

On n’oublie pas d’utiliser des mesures en unités internationales.

Par exemple pour le calcul de la première ligne, on effectue les opérations suivantes :

343,3*7*10^-40.24 m

Calcul de la marge d’erreur :

- Pour le calcul de la marge d’erreur, on procède ainsi :

On soustrait la distance mesurée à la distance trouvée pour obtenir leur différence, et on multiplie ensuite cette différence par 100 puis l’on divise le produit par la distance mesurée. Cela correspond au pourcentage de la différence entre les deux valeurs par rapport à la première valeur, donc à la marge d’erreur.

Ex : 

• 0,24-0,20 = 0 ,04 ; 

             0,04*100 = 4 ;

            4/0,20 = 20 %

On trouve donc pour cet exemple une marge d’erreur qui est de 20%. 

On trouve que la marge d’erreur moyenne est de 13%.

Bien que le pourcentage paraisse assez grand, ce n’est pas un problème majeur puisque le système de bord de la voiture autonome fait des calculs en boucle à intervalle régulier. La distance entre la voiture et les obstacles est calculée continuellement, ce qui atténue cette marge d’erreur.  

La voiture à une distance d’un mètre de l’obstacle. La voiture à une distance de 20 centimètre de l’obstacle.

Ex : Prenons l’exemple d’une voiture qui se gare, imaginons une distance de un mètre jusqu’à l’objet, la voiture aura une marge d’erreur de 20% donc elle avancera de quatre-vingt centimètres, puis au fur et à mesure va faire de nouveau un calcul identique et avancer encore avec 20% de marge d’erreur (soit quatre centimètres d’erreur), puis va répéter le même procédé jusqu'à ce qu’elle soit en place (c’est-à-dire que la voiture soit garée correctement entre les lignes et à la bonne distance de l’objet).

Schéma du fonctionnement du système de détection des obstacles avec ce système dans une voiture :

La puissance de calcul des ordinateurs de nos jours, est assez rapide pour pouvoir se charger des calculs quasi-perpétuels nécessaires pour déterminer la distance des obstacles à partir des mesures d’ultrasons. La portée des ultrasons est tout à fait raisonnable et dépend des émetteurs et des capteurs.

On pourrait utiliser ce système de calcul à ultrason pour des tâches comme se garer. Mais également détecter des obstacles sur la route (immobiles ou qui ralentissent) à la condition d’une mesure régulière ainsi que la connaissance de la vitesse des autres voitures qui serait communiquée par un réseau informatique.

Le problème qui peut être soulevé avec ce type de détection est le brouillage d’ultrasons. En effet, toute source d’émission d’ultrason peut fausser les calculs (ne serait-ce que les émissions des voitures adjacentes ou à proximité d’autres fortes sources d’émission à ultrasons comme celles utilisées pour éloigner les chiens). C’est pourquoi, il faudrait vérifier les informations données par les capteurs d’ultrasons avec les informations d’autres capteurs.

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