B) Une expérience sur le capteur à ultrason

Par CJP1 le 9 Février 2014 à 14:55

Le capteur à ultrason a déjà été présenté dans la partie antérieure mais il nous a plu de nous intéresser particulièrement à son utilisation.

Notre expérience a pour but de calculer la distance séparant la voiture d'un obstacle en utilisant la vitesse de propagation du son et le temps mis par ces ultrasons pour faire le chemin pour pouvoir comparer avec la réalité. Le capteur à ultrason délivre-t-il des données fiables ?Sont-elles alors plus fiables que celles délivrées ?

Il convient de connaître certaines données :

Les ultrasons se déplaçent dans l'air à une certaine vitesse exprimée en mètre par secondes. Cette vitesse dépend de quelques facteurs représentés ci-dessous :

V : vitesse du son en mètre/secondes

T : température en degrés Kelvin (donc température en degré celsius +273,15 :K=°C+273,15)

Y : masse volumique de l'air = 1,4

R : constante spécifique de l'air : 281,8 Joules/Kg

Puis une fois la vitesse connue, il nous faut connaître la distance parcourue par cette onde pour un temps dont nous connaissons la valeur. Le temps n'a pas besoin d'être calculé car il est déja mesuré par le capteur à ultrason lui même. En effet le capteur est un chronomètre qui mesure précisement le temps qui passe entre l'émisson et la réception de l'onde sonore.

Revenons-en à la distance, elle se mesure selon le shéma suivant :

On peut donc en déduire que d=V.T/2

Matériel :

- un émetteur et capteur d'ultrasons

- un oscilloscope

- un générateur

- un thermomètre

- différents objets renvoyant des ultrasons :

- un miroir se comportant comme un rétroviseur d'une voiture

- la peau : équivalent au piéton

- le caoutchouc équivalent au pneu

- du plastique se comportant comme une vitre

- une plaque d'aluminium équivalent à la carrosserie d'une voiture

Mise en place du matériel :

Placer l'émetteur à côté du capteur sur une barre graduée permettant des mesures.

Brancher l'émetteur et le capteur à des générateurs.

Brancher l'émetteur et le capteur à l'oscilloscope, ici par l'intermédiaire d'autres instruments

Placer un objet réflecteur à une distance connue, qu'on mesure avec l'aide de la barre graduée.

Mesurer la température ambiante à l'aide du thermomètre. Ce jour là, elle était de 23°C.

Protocole:

- Mettre en marche le générateur.

- Comme nous désirons connaître le temps que mettent les ultrasons pour parcourir une distance fixée à l'aide de la barre graduée, et pour un matériau déterminé, il nous faut regarder l'oscilloscope pour avoir ce temps (c'est-à-dire le temps séparant deux pics sur l'oscilloscope).

- Puis comme le but de l'expérience est de confronter les distances mesurées avec celles calculées, nous effectuons des calculs de distance.

Nous savons que d=(vitesse x temps)/2

Calculons d'abord la vitesse. D'après nos précédents calculs V=√(YRT). Et comme l'experience est réalisée à 23°C :

T=23+273,15

T=296,15 Kelvin

Donc V=√(1,4 x 281,8 x 296,15)

V=341,6 m/s

Ainsi avec le temps aller retour de l'onde observée, on peut en déduire la distance.

- Puis, nous calculons la marge d'erreur qui fait se confronter la distance mesurée et celle calculée. En faisant :

[(distance calculée-distance mesurée):distance mesuré]x 100

- Reproduire toute cette démarche à des distances et des matériaux différents.

Les résultats obtenus sont dans le tableau ci-dessous :

Matériau	Temps aller-retour (secondes)	Distance mesurée (m)	Distance calculée(m)	Marge d’erreur(%)
Plastique	7,50.10^-4	0,10	0,13	30
	8,75.10^-4	0,15	0,15	0
	15,00.10^-4	0,25	0,26	4
Peau	6,25.10^-4	0,10	0,11	10
	10,00.10^-4	0,15	0,17	13
	14,35.10^-4	0,25	0,25	0
Pneu	8,75.10^-4	0,10	0,15	50
	8,75.10^-4	0,15	0,15	0
	16,25.10^-4	0,25	0,28	12
Aluminium	6,88.10^-4	0,10	0,12	20
	10,00.10^-4	0,15	0,17	13
	15,00.10^-4	0,25	0,26	4
Acier	7,50.10^-4	0,10	0,13	30
	10,00.10^-4	0,15	0,17	13
	15,00.10^-4	0,25	0,26	4
Miroir	6,88.10^-4	0,10	0,12	20
	11,25.10^-4	0,15	0,19	27
	10,25.10^-4	0,25	0,28	12

En faisant une moyenne des marges d'erreurs entre la distance mesurée et calculée, nous obtenons un résultat de 14,5. Le capteur à ultrason ferait donc 14,5 % d'erreurs... Sûrement nos calculs ont pu fausser cette marge d'erreur, mais on peut penser que le capteur à ultrason est un outil peu fiable pour mesurer les distances séparant la voiture d'un obstacle.

Cependant ceci n'est pas un problème majeur puisque l'ordinateur de bord effectue continuellement des calculs pour déterminer la distance avec des obstacles éventuels. Il n'y a donc pas un, mais plusieurs calculs qui déterminent une position qui devient alors très réaliste et extrêmement précise. Le capteur à ultrasons offre donc des potentialités très adaptées à la voiture autonome, d'autant plus que, comme le montre les résultats, tout type d'objets renvoient les ultrasons et sont détectables par ce genre de capteurs.

Pour être certaines des objets détectés sur la route ou des distances avec un autre véhicule, les voitures autonomes actuelles complètent et fusionnent les données du capteur à ultrasons avec celles de d'autres capteurs comme le radar.

Le capteur à ultrason est donc un capteur très sûr pour notre voiture et remplace très bien la faculté de l'homme à détecter les obstacles.

Quelques photos :

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