IV Le modèle du capteur RADAR 105 1 Le capteur radar. . . 106
1.1 Exploitation de l’effet doppler . . . 106
1.2 Un domaine d’étude discret. . . 107
2 Les technologies radar intégrées au modèles . . . 107
2.1 Le radar pulsé (PULSE) . . . 107
2.2 Le radar doppler à ondes continues (CW) . . . 110
2.3 Le radar doppler à plusieurs canaux (FSK) . . . 115
2.4 Le radar doppler à ondes modulées linéairement (FMCW). . . 119
2.5 Autres types de radars. . . 127
3 Le balayage de l’antenne . . . 128
3.1 Le balayage mécanique . . . 128
3.2 Le balayage électronique . . . 129
3.3 Le balayage monopule . . . 130
4 Le suivi de cibles . . . 130
V Le modèle du capteur de télécommunications 133
1 La modélisation des protocoles: le simulateur NS3. . . 134
2 Interfaçage des plateformes de simulations . . . 136
3 Exploitation des résultats . . . 141
3.1 Les solutions testées . . . 142
3.2 Les solutions envisagées . . . 143
VI Conclusion 145
Publications associées 155
L
dans la matière qui est finalement étudié à travers les modèles électriques. Pour la propagation de l’in-formation dans l’environnement (p.32), c’est le déplacement des photons dans celui-ci qui est modélisé sous la forme d’onde électromagnétique.Cependant, aucune application pratique ne découle de ces modèles. Ils valident tout au plus, une fois encore, la véracité des modèles définis à travers les siècles et utilisés dans ces travaux, pour les aspects étudiés du problème, et permettent d’émettre et de recevoir des ondes électromagnétiques propagées dans un environnement virtuel.
Pour introduire la notion de technologie (capteur) dans cette représentation, il faut maintenant s’inté-resser aux solutions pratiques développées à partir de ces propriétés par les chercheurs et les ingénieurs pour exploiter ces propriétés.
Les deux capteurs étudiés durant ces travaux concernent deux fonctions essentiels dans les nouveaux systèmes d’aides à la conduite, la capacité de détecter des obstacles dans l’environnement proche du véhicule, et la capacité de pouvoir échanger de l’information entre l’ego-véhicule (le véhicule équippé et étudié) et son environnement: l’infrastructure et les autres usagers de la route connectés.
L’information au sein de ces deux familles de capteurs n’est pas de même nature et les technologies associées ne s’appuient pas sur les même propriétés des ondes.
Pour la première, les radars, une onde simple est émise par le capteur et l’information utile provient des perturbations subies par cette onde initiale. Ces perturbations sont liées à la configuration de l’environnement comme définies dans la partie précédente. Leur actions et leur effets sont connus, et un choix judicieux de forme et de fréquence pour le signal peut permettre de déterminer certaines caractéristiques de l’environnement pertinentes pour les systèmes d’aide à la conduite.
Pour les systèmes de télécommunications, l’onde émise est riche et complexe. Elle contient toute l’infor-mation utile, et c’est cette même inforl’infor-mation qui doit parvenir jusqu’au récepteur pour être déchiffrée. Les deux capteurs utilisent des propriétés différentes des ondes électromagnétiques.
Le premier utilise les propriétés de la déformation de l’onde et interprètre l’évolution des modifications du signal alors que le second utilise les propritétés de "conservation de la forme" de l’onde, pour émettre une information robuste codée numériquement, et être capable de la décoder sur un autre système.
Cette partie est consacrée à l’étude et la mise en oeuvre de modèles pour ces deux types de capteurs. Le premier chapitre détaille le fonctionnement des capteurs radars, de la génération du signal jusqu’à l’obtention de données exploitables par un système d’aide à la conduite. Le second chapitre aborde le domaine des télécommmunications et les solutions envisagées pour obtenir un modèle fonctionnel malgré la complexité du problème.
IV. Le modèle du capteur RADAR
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e radarintègre de plus en plus les véhicules terrestres. Il fournit pour les algorithmes de fusions multi-capteurs, une nouvelle source d’information très utile et fiable pour la localisation des objets.Leur fonction est essentielle aujourd’hui dans les systèmes d’aides à la conduite actifs (ayant un rôle sur la conduite du véhicule), comme l’ACC[72].
Leur principe, comme pour l’écholocation chez les animaux (chauve-souris, dauphins, baleines, tarsier des philippines1
, . . . ), consiste à émettre une onde dans l’environnement et à étudier ses échos pour obtenir de l’information sur les éventuels obstacles autour du véhicule.
Long range radar with mide-range scan 200m range / opening 18˚
60m range / opening 60˚ Long range radar with mide-range scan
200m range / opening 18˚
60m range / opening 60˚ Short range radar
0.2 m - 30 m range / opening 80˚ Short range radar
0.2 m - 30 m range / opening 80˚ Multi mode radar
80m range / opening 16˚
30m range / opening 80˚ Multi mode radar 80m range / opening 16˚
30m range / opening 80˚
Figure IV.1 – Différentes configurations de radar équippants les véhicules
Il existe une grande variété de radar[73]. Pour le domaine automobile (figure IV.1), deux grandes fa-milles se distinguent. Les radars de longues portées, lesLong Range, dont la portée peut atteindre 200 m et dont l’angle d’ouverture est faible (de l’ordre de 15-20˚), et les radars de faibles portées, lesShort Range, d’une portée inférieure à 100 m et dont l’angle d’ouverture est plus important (de l’ordre de 60-80˚).
Cette gamme de produit permet, une fois entièrement installée sur un véhicule, de fournir une couver-ture étendue de la zone entourant celui-ci.
Pour le domaine automobile, les données utiles concernant une cible sont sa position relative par rap-port à l’ego-véhicule, et sa vitesse relative par raprap-port à celui-ci. En fonction du raffinement du capteur utilisé, il est également possible d’obtenir d’autres informations sur les cibles concernant notamment leur taille et leur type (piéton, deux-roues, transport léger, transport lourd, . . . ), ainsi qu’un certain niveau de certitude concernant leur existence.
Les technologies radars utilisées dans lesADASsont majoritairement issues de la famille des radars doppler.
1 Le capteur radar
Avant de définir les différentes technologies associées à ce capteur et modélisés dans ces travaux, il est intéressant de caractériser davantage le capteur radar. Globalement, un radar travaille dans une certaine gamme de fréquence caractérisée par une fréquence porteuse ( fc) et une bande passante (BW). Cette fréquence ( fc) correspond à la longueur d’onde moyenne de l’onde électromagnétique générée par le radar. Dans le domaine automobile, deux bandes de fréquences sont utilisées pour les radars: 24 GHz pour leShort Rangeet 77 GHz pour lesLong Range.
1.1 Exploitation de l’effet doppler
Les signaux générés par leVCOd’un radars doppler sont généralement du type
st(t) =A.Cos(2.π.t fc
+φ) (IV.1)
avec fc, la fréquence porteuse sur laquelle est observée l’effet doppler.
Pour faciliter leur implantation dans les modèles, la forme complexe est généralement utilisée, c’est le cas ici
st(t) =A.e(2.π.tfc +φ)
(IV.2) .
Après une interaction et en simplifiant le problème, le signal retourne à l’antenne sous la forme sr(t) =A0.e(
2.π.t fc0 +φ0)
(IV.3) Le parcours lui a fait perdre de l’énergie (A0 < A) et a probablement déphasé le signal par rapport à son émission (φ 6= φ0). Si pendant son parcours, l’onde a interagit avec un objet mobile, alors sa fréquence s’en trouve également modifiée ( fc06= fc).
Le radar doppler consiste en l’étude du décalage de fréquence s’opérant sur la fréquence porteuse du signal ( fc) lors de l’interaction entre une onde électromagnétique et un objet ayant une vitesse non nulle par rapport à l’émetteur. Cette étude permet de déterminer la fréquence associée à l’effet doppler
fd= fc−fc0 (IV.4)
et ainsi de déterminer la vitesse relative de l’objet depuis l’équationII.36
v≈ c fc.fd 2 ≈ λ fd 2 (= f 0 d.c. 2. fc±f 0 d (2. fc± fd0)2±fd02, f 0 d= fd/2) (IV.5)
C’est en substance le principe associé à un radar doppler.
Cependant le radar est un capteur numérique au sens où il travaille sur un signal échantillonné. De ce point de vue, la détermination des caractéristiques des cibles est elle aussi soumise à cette contrainte et ne se définie pas selon un domaine continu mais sous forme d’intervalles.
1.2 Un domaine d’étude discret
range 0 Rmin Rmax angle θ=0 θ= −α 2 θ= α 2Figure IV.2 – Domaine effectif d’un radar
Bien que la théorie fournisse une précision absolue, la réalisation concrète d’un capteur radar implique des résultats discrets (IV.2).
La précision obtenue et le domaine de fonctionnement sont fonctions des caractéristiques du capteur, associée notamment à sa bande passante et sa fréquence d’échantillonage.
Ainsi la distinction entre les cibles est souvent question de la technologie utilisée et du mécanisme de
tracking(partie logicielle associée au capteur) défini en aval des données brutes du capteur.
Les travaux menés ici concernent la définition de modèles de capteurs électromagnétiques, notamment des radars, exploitables dans une plateforme de simulation pour le prototypage de système d’aide à la conduite.
De ce point de vue, l’étude des solutions technologiques n’est pas cantonnée à l’existant pour le do-maine automobile mais englobe l’ensemble des solutions pouvant un jour être intégrer à un véhicule. Cette étude des capteurs radars débutent donc avec le plus simple d’entre eux, le radar pulse.