La fusion

 

 

     L'ordinateur de bord a la lourde tâche de fusionner toutes les données pour pouvoir diriger la voiture. C'est un travail très complexe qui demande de très nombreux calculs. En effet l'ordinateur de bord doit en quelques sortes, remplacer un humain et donc faire office de cerveau. Ce que nous voyons (par exemple ce que vous êtes en train de lire), est une construction de votre cerveau et non une stricte photographie que vos yeux auraient pris. L'ordinateur de bord doit donc récolter les différentes données et les interpreter. Mais ce qui rend l'exercice encore plus difficile est que la voiture doit en plus se géo-localiser seule...

     La fusion a pour objectif d'améliorer la précision, la disponibilité, l'integrité de la localisation.

     Le problème qui se pose est qu'il faut tout d'abord que les capteurs fonctionnent bien, puis que toutes les données externes et internes soient bien sythétisées pour permettre à la voiture de se déplacer. De plus, il faut que ces étapes soient réalisées très rapidement car notre voiture doit être capable d'éviter un obstacle.

     Nous allons présenter un peu cela:

     Tout d'abord pourquoi les données des capteurs doivent-elles être fusionnées ?

     La fusion des données des differents capteurs permet:

• La complémentarité ou la redondance : les capteurs ne dépendent pas directement les uns des autres, mais une fois combinés ils améliorent l'image du phénomène observé.
• La compétitivité : certains capteurs réalisent la même fonction, le but étant de réduire les effets des données incertaines et erronées.
• Coopérativité : la combinaison de plusieurs capteurs permet d'obtenir une information indisponible avec un seul capteur.

 

     Mais les informations arrivent toutes en même temps et sous différentes formes, il convient donc d'interprêter ces données et de les mettre dans un même repère. De plus il faut extraire les informations les plus pertinentes, comme par exemple extraire des zones homogènes dans une image de scène routière.

     Puis après, il faut fusionner toutes ces données avec les autres. Il y a trois étapes :

A] La position du véhicule est déterminée à tout instant grâce au GPS et aux capteurs et constitue une carte locale dynamique (LDM).

B] Cette position est ensuite traîtée par un système de navigation embarqué qui contient une carte avec les routes répertoriées. Et grâce à des techniques adaptées le système de navigation peut déterminer la voie que la voiture est en train de prendre.

C] Puis l'ordinateur de bord peut retrouver la donnée cherchée grâce à une autre base de données embarquée dans laquelle sont répertoriées toutes les données de la route.

 

 

 

 

 

 

     Ainsi après toute ces étapes, l'ordinateur de bord peut délivrer une indication aux mécanismes de la voiture. Et une indication adaptée à la localisation, les obstacles, les signalisations... Cette indication est souvent très précise et se trompe que très raremment. Contrairement à nous, humains, qui ne réagissons pas toujours de la bonne manière face à un obstacle, des limitations de vitesse, et qui allons même jusqu'à nous perdre sur les routes.... Avec la voiture autonome, plus de pertes de temps dans les dédalles d'une ville mal indiquée, plus de PV au retour de vacances, plus de chien malencontreusement renversé à la sortie du garage...

   Mais en plus d'être plus précise que nous l'avantage indéniable et fondamental de la voiture autonome reste le suivant : malgré la grande complexité de la fusion de données réalisée par l'ordinateur de bord, il n'en demeure pas moins qu'elle est nettement plus rapide que l'homme pour délivrer un ordre moteur. En effet quand l'homme dans un état de grande concentration met 1 seconde à réagir, la voiture autonome, elle, ne met que quelques millisecondes !

 

 

 

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Bibliographie

 - Périodiques :

CHENAL, Jonathan. Le positionnement par satellites et les maths. Tangente 151, Mars 2013, p.7-18.

GAUTIER, Valérie. 5 objets qui vont changer notre vie. Okapi 965, 01/10/2013, p.10-16.

KOSLOWSKI, Thilo / NEWCOMB, Doug. La voiture hyperconnectée de Monsieur est avancée. Courrier international 1142, 20/09/2012, p.40-41.

LECOMTE, Erwan. La voiture sans pilote. Sciences et vie junior 259, 04-2011 p.40-43.

PENEL, Henri-Pierre. Sécurité automobile : des véhicules peu fiables. La Recherche, 04/2013 p.81-98

PENEL, Henri-Pierre. Les GPS. Sciences et avenir 794, 01/04/2013, p.98-101.

ROSENBERG, Mike. Hands off! Vocable anglais 650, 01-11-2012, p.28-29.

SACKSICK, Mylène. "Nous testons une voiture sans pilote". Phosphore 380, 02-2013, p.44.

LASCAR, Olivier. Une Batmobile pour les aveugles. Sciences et vie junior 242, 11-2009, p.64.

VOYER, Maxime / BETAILLE, David / PEYRET, François. Amélioration de la position GNSS en ville par la méthode des tranchées urbaines. Géomatique Expert 93, Juillet-Août 2013, p.36-49.

 

- Vidéos :

Comment fonctionne un GPS ?. Explania.com. 12/10/2010. 3 minutes 19.

Mercedes-Benz TV : autonomous long-distance drive. http://voituredufutur.blogspot.fr. 09/2013. 2 minutes 16.

SARTRE Road Train Concept. http://www.youtube.com. 22/10/2009. 58 secondes.

 

- Sites :

http://perso.telecom-paristech.fr/~provost/.../vehintel-rap.pd

http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00858441

http://www.sitedunxt.fr/articles/print.php?id=14  

http://home.mis.u-picardie.fr/~g-caron/docs/GUILLAUME_CARON-rapport_stage_recherche.pdf 

http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosrob/accueil/decouvrir/service/vehicule.html 

http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/physique/d/topographie-decouvrir-le-fonctionnement-du-gps_504/c3/221/p1/

http://www.tomtom.com/howdoesitwork/index.php?Language=2

http://www.astrobotic.com/2008/09/20/boss-and-past-work/ 

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stationnement-12086/ 

http://www.internetactu.net/2013/11/06/voiture-autonome-il-ne-reste-plus-qua-ameliorer-le-facteur-humain/ 

http://proteus-blogprod.azurewebsites.net/

http://www.adcidl.com/

www.internetactu.net

http://eduscol.education.fr/orbito/system/navstar/gps1.htm 

http://eu.mio.com/fr_fr/systeme-positionnement-global_4992.htm

http://www.gps.gov/french.php

 

 

 

Remerciements

     

      Nous adressons un très grand merci : 

     

A  David Bétaille, Chargé de Recherche à l'IFSTTAR, pour avoir généreusement répondu à nos nombreuses interrogations et que nous avons pu rencontrer.

A l'IUT de Nantes, qui nous  a aidé pour notre projet de production orale, en particulier Mickaël Gagneul.

A Philippe Martinet, chercheur à l'école Centrale de Nantes, qui a répondu à quelques questions.

A Anne-Charlotte Nicoud, directrice de projets à l'école des mines de Paris, qui nous a aussi aidé.

A nos professeurs : Monsieur Logodin et Madame Tual, pour leur aide durant cette aventure TPE.

 

 

 

Retour au plan et problématique

     Comme nous l'avons vu précédemment, l'ordinateur de bord a la fonction de recueillir toutes les informations des capteurs pour constituer un image active de l'environnement autour de la voiture. Mais ce n'est pas son unique fonction, il doit localiser la voiture pour permettre de la diriger. En effet lorsque nous conduisons, nous connaissons le lieu que nous voulons atteindre et les routes à emprunter pour y parvenir (du fait de l'activation de notre mémoire : notre cerveau relie les informations perçues à un souvenir plus ou moins profondément encré). Cependant l'ordinateur de bord ne possède pas de mémoire et donc pour réaliser le meilleur compromis possible, il utilise des cartes embarquées dans le système ; cartes dans lesquelles la voiture autonome est située. Cela est rendu possible grâce au GPS.

 

     Le GPS, Global Positionning System, est un système de navigation radio par satellites. C'est le premier système de navigation par satellites au monde. Il a été développé par le Ministère de la Défense des Etats-Unis. Au milieu des années 90, son utilisation devient accessible pour tous. Il assure des services de positionnement, de navigation et de référence temporelle, appelés "services PNT" (Positionning Navigation and Timing), à un nombre illimité de personnes, sous toutes les conditions météorologiques, de jour comme de nuit, partout dans le monde. C'est de loin le meilleur outil le plus répandu pour l'aide à la navigation routière. Il suffit seulement d'être équipé d'un récepteur GPS pour connaître la position, qui est recalculée de 5 à 10 fois par secondes, mais aussi la direction ou la vitesse du véhicule par exemple. 

     Nous verrons par la suite le principe du fonctionnement du GPS puis ses sources d'erreurs. 

 

     

     Trois groupes d'éléments clés composent le GPS.

 • Des satellites suivent un trajet particulier autour de la Terre : ils sont placés sur des orbites au nombre de 6 pratiquement circulaires et gravitent autour de la Terre à environ 20 000 km d'altitude et à une vitesse proche de 14 000 km/h. Sur chaque orbite, les satellites ne sont pas régulièrement espacés. Leur répartition a été choisie pour optimiser le nombre de satellites visibles en chaque point de la Terre. Les zones les plus défavorisées sont voisines des pôles. La constellation de satellites GPS est composée d'une trentaine d'appareils dont 4 de secours en orbite. Les satellites émetent des signaux électromagnétiques qui contiennent des informations sur la position et la date exacte où ils ont été émis. Ils émettent en permanence un message de navigation à un débit de 50 bits par seconde sur la fréquence porteuse des micro-ondes d'environ 1600 MHz. La diffusion de ces informations est réalisée à un débit extrêment faible.

 

 

 

 • Des stations de contrôle du sol au nombre de 5 sont réparties dans le monde. Comme leur nom l'indique, elles doivent veiller au suivi et à l'entretien des satellites en orbite. Leur objectif est d'assurer le bon fonctionnement des satellites, de corriger les trajectoires pour que les informations de position soient les plus correctes possibles et de synchroniser toutes les horloges des satellites, aussi bien entre elles qu'avec l'heure de la Terre. 

 

 • Des récepteurs GPS captent et identifient les signaux émis par les satellites. Ils peuvent aussi signaler les radars fixes pour que les conducteurs pensent à respecter les limitations de vitesse ou fournir des infos traffic comme les embouteillages et les accidents. Il faut 3 signaux pour calculer une position sur un plan (2D) et 4 pour obtenir une altitude (3D). En effet, ils enregistrent à chaque instant la position des satellites visibles et l'heure de départ du message depuis chaque satellite. Ils enregistrent aussi l'heure de réception du message. Le signal a donc un temps connu pour parcourir la distance satellite-récepteur.

         

     Le principe du positionnement GPS est très proche du principe de la trilatération, c'est-à-dire sans les angles. La comparaison de la date de réception et de la date d'émission permet au récepteur de calculer la distance qui le sépare de chaque satellite. On définit ainsi des sphères centrées sur des satellites et dont l'intersection donne la position grâce à la formule : distance = vitesse de la lumière x temps. Le temps correspond à la durée mise par le signal pour aller du satellite au récepteur GPS et la vitesse de la lumière est égale à c = 3x10⁸ m.s^-1.    

Soit d1 = c x (t₁-t) et d2 = c x (t₁-t)

d1 et d2 sont les distances que l'on cherche à calculer.

c est la vitesse de la lumière.

t est l'heure affichée par l'horloge du récepteur GPS.

t₁ et t₂ sont les heures affichées par les horloges des satellites.

 

          

        

 

     Puis le même calcul est fait avec un 3^ème satellite. On a alors 2 points possibles. Dans le cas où l'utilisateur se situe à la surface de la Terre, seul un des 2 points est donc cohérent. Ainsi on connait sa position.

 

     Cependant, des problèmes et des erreurs existent pour avoir une position plus que précise. En effet, les satellites sont dotés d'horloges atomiques très stables qui limitent les désynchronisations importantes tandis que les récepteurs GPS sont quand à eux privés d'horloge atomique d'une grande précision. A cause de la vitesse de la lumière, une erreur de 10 nanosecondes peut provoquer une erreur d'environ 3 mètres dans la position. Aussi, les signaux électromagnétiques des satellites traversent l'atmosphère. Or, l'ionosphère et la troposphère freinent les signaux et cela provoque une erreur sur le calcul de distance.

     De plus, il n'est pas toujours possible de capter suffisamment de satellites et des éléments tels que les murs ou les parois des montagnes sont des obstacles à la réception. Les surfaces réfléchissantes comme les façades d'immeubles par exemple, entrainent des problèmes de précision. Les bâtiments bloquent le trajet direct du signal, c'est-à-dire la droite qui relie le satellite au récepteur et ils cachent aussi certains satellites. Ce phénomène provoque des "multi-trajets" notamment en milieu urbain, ce qui entraine une erreur de positionnement considérable.

                                

     

     Pour améliorer le service GPS, une nouvelle génération de satellites, plus performante, viendra remplacer progressivement tous les modèles en place et les performances du récepteur seront améliorées en travaillant sur sa sensibilité. Galiléo est un projet européen qui vise à offrir des services beaucoup plus complets et surtout une précision de position. Mais il y aura toujours des problèmes car les satellites seront toujours dans la même direction. Même si le nombre de satellites va augmenter, tous les problèmes ne seront pas résolus mais ils vont tout de même s'améliorer.

 

 

     Le positionnement par satellites est un système plein d'avenir même s'il rencontre des difficultées, notamment en milieu urbain. Ce système permet de nous localiser presque instantanément. Il reste le meilleur moyen de géolocalisation de nos jours. Seul, le GPS dans une voiture autonome n'a pas d'utilité, si bien qu'il est associé aux caméras et autres moyens de perception visuelle. Des repères fixes sont placés sur une carte, ainsi, il est possible de se déplacer en reconnaissant ces différents repères. La voiture sait alors si elle est sur le bon chemin. Le GPS et la mémoire visuelle sont donc liés pour se répérer tout en établissant un plan détaillé de la route.

 

 

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Thème choisi : Avancées scientifiques et réalisations techniques.

Matières concernées : SVT, physique.

Problématique : En quoi la conduite d'une voiture par un ordinateur de bord serait-elle plus sûre que par un humain ?

Plan : 

Introduction 

Un petit aperçu sur la vision humaine

 

1] En quoi les capteurs équivalent-ils la vision humaine ?

A) Comment fonctionnent les capteurs ? 

B)Une expérience sur le capteur à ultrason 

 

2] En quoi les données des capteurs sont-elles complémentaires à celles du GPS ?

A) Comment fonctionne le GPS ? 

B) Comment l'ordinateur de bord fusionne t-il toutes les données ? 

 

3] Quelle est l'évolution possible des prototypes de voiture autonome ? 

A) Quels sont les prototypes actuels de voiture autonome ? 

B) Quels sont les sous produits issus de ces prototypes ? 

 

 C) Quels sont les obstacles à la commercialisation de la voiture autonome ?

 

Conclusion  

 

 

Interview avec M.Betaille

 

Bibliographie et remerciements  

     Nous nous intéressons d'abord, pour pouvoir comparer la voiture autonome et l'Homme, à notre temps de réaction.

     En effet c'est lui qui, plus ou moins rapide, entraîne ou évite l'accident. Il nous renseigne sur le temps de parcours effectué par le message nerveux : perception du message, intégration, élaboration d'une réponse.

     Nous avons effectué et fait effectuer autour de nous, des tests de réaction sur le site : http://www.lepermis.com/Jeux/réaction.htm. Quand le mot "APPUYER" apparaît sur l'écran, nous devons au plus vite cliquer sur ok.

     Ce test mesure un temps de réaction simple puisque la réponse est toujours la même. C'est un temps de réaction semi-complexe. Le temps de réaction en situation de trafic est plus long et a un temps de réaction complexe.

     Les modalités du traitement d'informations par le cerveau sont présentées ci-dessous.

Perception du stimulus :

     Dans le cas de notre test de réaction, les stimuli sont des images.

     Les rayons lumineux arrivant à l'oeil sont focalisés par la cornée et le cristallin, puis projetés sur une surface réceptrice : la rétine. C'est la membrane interne de l'oeil. Elle comporte les cellules sensorielles de la vision appellées photorécepteurs. Il en existe deux types : les bâtonnets, pouvant réagir à de faibles intensités lumineuses et les cônes, sensibles à la vision des couleurs. Suite au stimulus lumineux absorbé, ces cellules engendrent un signal électrique.

     Ce signal est un message nerveux qui est ensuite acheminé au cerveau par l'intermédiaire du nerf optique.

 

 

Transmisson des messages nerveux aux aires visuelles :

     La partie arrière du cerveau est spécialisée dans la vision : le cortex visuel apparaît structuré comme  "une carte " du champ de vision et constitue le point d'entrée des messages nerveux provenant des deux yeux. Pour accéder au cortex visuel le message emprunte des chaînes de neurones successifs en franchissant des zones relais, les corps genouillés latéraux par exemple, constituent le principal relais dans lequel les neurones issus de la rétine sont connectés à des neurones cérébraux. Le message transite d'un neurone à l'autre en suivant les zones de connexion appelées synapses. Il est transmis par l'intermédiaire d'une substance chimique, un neurotransmetteur. La transmission synaptique nécessite que les molécules de neurotransmetteurs se fixent sur des récepteurs spécifiques.

 

     Après son arrivée au cortex visuel primaire, le message nerveux est traité séparément et en parallèle par des aires visuelles spécialisées dans la reconnaissance des formes, des couleurs, des mouvements (au nombre de 5). Il arrive d'abord aux aires visuelles primaires (V1), puis vers les aires visuelles secondaires (V2) qui donnent du sens aux informations perçues. Les informations sont ensuite transmises aux aires V3 et V4 qui réalisent la synthèse des informations (couleurs, formes). Puis elles sont données aux aires visuelles temporelles qui se chargent à la fois de la reconnaissance mais également du traitement de l'information avant la réponse motrice. C'est la constitution d'une perception visuelle intégrée.

 

 

     Une fois l'étape décisionnelle réalisée, l'information transmise aux aires prémotrices et aires motrices permet la propagation du message moteur. Dans notre test, c'est vers les muscles de l'avant bras et de la main que ces informations se dirigent.

 

     La moyenne des résultats obtenus dans notre test de réaction est d'environ 0,49 secondes. Comme nous nous concentrions uniquement sur ce test (d'ailleurs très simple), nous pouvons faire une analogie de ce temps de réaction avec celui d'un conducteur très attentif en pleine forme et ne possédant aucun problème de vision.

     Cependant, fatigué de la journée ou de la semaine, l'absorption d'un médicament, un peu d'alcool, ou distrait par un coup de fil, le réglage de la radio, le temps de réaction du conducteur peut atteindre très facilement 1,5 secondes ou même 2 secondes.

     Et comme à 90 km/h, on parcourt 50 mètres en 2 secondes, les accidents sont très vite arrivés...

     La voiture autonome aurait-elle un temps de réaction plus rapide ?

 

 

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