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La canne blanche

électronique

Comment utiliser les propriétés des ondes pour rendre la

détection des obstacles plus facile aux aveugles ?

• GARCIA Diego • HERNANDEZ Valeria • GONZALEZ Marie France • AGUILAR Augustin

• FLORES José de Jesús

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Résumé du projet : la canne blanche électronique

La canne blanche est depuis longtemps le symbole international de la déficience visuelle, ainsi que le meilleur outil pour pallier à cette déficience. Depuis 1991, des recherches l’implémentent de technologies permettant de détecter des obstacles plus ou moins éloignés et à différentes hauteurs grâce à des capteurs d’ondes ultrasonores ou infrarouges. Ce projet propose une amélioration de la canne par l’exploitation des deux capteurs à la fois. En effet, le capteur ultrasons permet une augmentation du champ d’observation, alors que le capteur infrarouges possède une plus grande précision. De plus, nous avons mis en place trois expériences visant à perfectionner l’exactitude des signaux reçus par l’utilisateur selon le milieu d’utilisation. Nous voulions mesurer la différence de vitesses de propagation des ondes ultrasonores en faisant varier trois paramètres (la température, l’humidité et la pression) afin de déterminer si la distance détectée par la canne était modifiée par ces paramètres. Nous verrons que les calculs d’erreurs et d’incertitudes, qui seront présentés dans ce dossier, montrent que la sensibilité de nos capteurs n’est pas suffisante pour mesurer ces différences. Cependant, avec l’utilité qu’en ont les personnes ayant des déficiences visuelles, la précision de la distance détectée par les capteurs de notre canne est acceptable, et l’objectif du projet est donc atteint.

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Sommaire

I. Introduction

II. Projet de la canne

1) Objectifs

2) Choix et conception du projet

3) Fonctionnement

III. Les ondes

1) Le corps humain et les ondes

2) Définition et caractéristiques des ondes

3) Les ondes ultrasonores

4) Les capteurs

a. Les Capteurs infrarouge

b. Les Capteurs ultrasons

IV. Les expériences et la notion d’incertitude

1) Les expériences

2) Les incertitudes de mesure

a. Calcul d’incertitudes

b. Calcul d’erreur

V. Conclusion

VI. Bibliographie

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I. Introduction

La nature a donné à l’homme et aux animaux complexes des organes qui

leur permettent d’interpréter les différentes informations de leur environnement.

Ces organes peuvent capter des grandeurs physiques qui sont envoyées au

cerveau pour pouvoir interpréter les changements dans le monde qui nous

entoure ; ce sont les sens. L’un des phénomènes physiques capté par nos organes

est “les ondes”, tantôt mécaniques avec l’ouïe, tantôt électromagnétiques avec la

vue, qui constituent les deux principaux sens de l’homme. Or ces sens ne captent

qu’une infime partie de tout le spectre existant des ondes.

Malheureusement ces sens peuvent être endommagés, ce qui devient une

contrainte pour la personne affectée. D’après l’OMS il y a environ 285 millions de

personnes handicapées visuellement dont 39 millions sont aveugles.

Heureusement, il existe différentes techniques, outils et des technologies

disponibles pour permettre aux handicapés de réaliser leurs activités quotidiennes.

Un des outils les plus utilisés est la canne blanche qui permet à l’utilisateur

de détecter des obstacles qui se trouvent à un mètre de lui environ et, également,

de déceler l’état du sol sur lequel ils marchent. Cependant, il existe encore des

déficiences pour détecter des obstacles plus hauts ainsi que pour toucher les

obstacles et les reconnaître. La technologie des capteurs nous permet d’identifier

des grandeurs physiques et de les transformer en informations grâce à la

connaissance des phénomènes physiques qui y interviennent. La compréhension

des ondes a permis de développer des capteurs qui peuvent détecter des objets à

distance grâce à l’analyse des échos reçus.

Pour notre TPE de première en sciences de l’ingénieur, nous avons eu

l’idée d’améliorer une canne pour aveugles. Nous avons pensé qu’au Mexique

encore 467.000 handicapés visuels (selon l’INEGI) souffrent encore de graves

problèmes de mobilité. Le difficile accès aux différents transports publics ou les

mauvaises conditions des rues sont des exemples d’obstacles auxquels ils doivent

faire face tous les jours. L’aide aux aveugles a été notre principale motivation et la

solution que nous avions trouvée a été la conception d’une canne électronique qui

puisse les avertir de la présence de certains obstacles à une distance plus grande

et de certains risques situés à une hauteur plus grande que celle du sol.

Comment utiliser les propriétés des ondes pour rendre la détection des

obstacles plus facile aux aveugles ? Dans un premier temps, nous donnerons des

informations sur le fonctionnement et la réalisation du projet, puis dans un

deuxième temps, nous parlerons des caractéristiques des ondes et des capteurs

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utilisés, pour finalement montrer et analyser les expériences réalisées dans

l’objectif d’améliorer la précision de la canne.

II. Projet de la canne

1) Objectifs :

Détecter des objets à une distance d’au moins 50 cm.

Utiliser des composants adaptés et utilisables sous toutes circonstances.

Proposer différents moyens d’avertissements (buzzeur, vibreur...)

adaptables aux préférences de l’utilisateur.

Proposer une durée de vie convenable et suffisante, ainsi qu’une source

d’énergie facilement remplaçable.

Avoir une masse et des dimensions les plus proches possibles à celles

d’une canne traditionnelle.

2) Choix et conception du projet

Le design a été réalisé à travers le logiciel Solidworks pour faire la

conception esthétique de la canne, ce qui nous a permis de visualiser le projet et

de le valider afin d’établir les dimensions et formes de la canne. Nous avons

considéré que la canne doit être facile à manipuler pour les non-voyants, et en

même temps, respecter la forme d’une canne blanche traditionnelle, puisque les

non-voyants sont déjà habitués à utiliser ce support. L’objectif de la modélisation

est de résoudre les possibles problèmes qu’il pourrait y avoir au moment de la

conception.

Tout d’abord nous avons construit le corps principal de la canne, qui est un

tube de 1,20 m et d’un diamètre de 3 cm. Ensuite une élection des matériaux a été

réalisée en fonction de différentes caractéristiques recherchées dans la canne.

Une fois les matériaux obtenus, ainsi que la partie électronique nous avons

procédé a l’assemblage

Nous avons incorporé des capteurs ultrasons et infrarouges tous deux

connectés a une carte Arduino Uno qui nous permet de utiliser les valeurs obtenus

par les capteurs et des les utiliser pour commander des différents réponses aux

obstacles comme un son ou une vibration grâce à une programmation qu’on a

réalisé (détaillé en annexe 2).

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3) Fonctionnement

La canne est un appareil qui sert à détecter des obstacles représentants un

risque pour l’utilisateur. Ils sont détectés par deux capteurs qui sont en bas de la

canne. Un du type infrarouge et autre du type ultrason. Lorsque l’obstacle est à

moins de 30 cm l’information sera devenue une tension électrique qui mettra en

marche un vibreur qui fonctionne comme interface entre la canne et l’utilisateur. La

canne dispose aussi d’un capteur infrarouge au niveau des hanches pour détecter

des obstacles à moins de 50 cm qui sont fixes aux murs et qui ne sont pas en

contact avec le sol, dans ce cas, les informations vont mettre en fonctionnement

un buzzeur pour avertir l’aveugle de la présence de ce type d’obstacles.

FIG.1. La canne blanche électronique et ses composantes

III. Les Ondes

1) Le corps humain et les ondes

L’œil se décompose en trois parties principales. Tout d’abord on a la

cornée, le cristallin et l’humeur aqueuse qui se comportent comme une lentille

puisqu’ils permettent de laisser passer la lumière et de mettre au point ce que l’on

regarde. Le cristallin peut se bomber et faire converger les rayons lumineux

rentrant à travers l’humeur aqueuse et la cornée ou il peut s’aplatir et dans ce cas

les rayons lumineux divergent. C’est ce que l’on appelle l’accommodation. L’état

du cristallin dépend de la distance à laquelle se trouve l’objet observé. Ensuite on

a la pupille qui fonctionne comme un diagramme puisqu’il permet de régler la

quantité de lumière rentrante et finalement on a la rétine qui à la fonction d’un

écran où se forme l’image de l’objet observé. L’œil peut donc être modélisé par

une lentille, un diaphragme et un écran de la façon suivante :

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FIG.2. Fonctionnement de l’œil : à gauche, modélisation 3D de l’œil ; à droite, modèle réduit de l’œil

Mais ça ne s’arrête pas là. Nous avons la capacité de voir des objets grâce

à des phénomènes physiques et chimiques comme la réflexion et la réfraction.

Lorsque la lumière est réfléchie sur un objet il faut que les rayons lumineux entrant

soient mis à foyer (f’=1/V) par la cornée et le cristallin sur la rétine. Ensuite la rétine

envoie des signaux électrochimiques le long du nerf optique jusqu’au cerveau. Une

fois que les signaux ont été interprétés, l’interprétation nous permet de voir l’image

de l’objet. Le processus de déviation de la lumière pour produire une image mise

au point sur la rétine est appelé réfraction. Cependant il existe aussi des maladies

qui peuvent nous rendre aveugle comme le glaucome qui atteint notre nerf optique

ou la cataracte qui fait jaunir notre cristallin et provoque une opacification.

Notre sensibilité à différents types d’onde nous permet de nous former une

conception du monde qui nous entoure. La compréhension de ces mécanismes

ajoute un œil critique à cette perception et peut l’améliorer. Qu’en savons-nous?

2) Définition et caractéristiques des ondes

On appelle onde la propagation d’une perturbation périodique et physique

des particules d’un milieu stable qui reprennent par la suite leurs caractéristiques.

Ainsi, cette propagation transporte de l’énergie et pas de la matière.

D’une part, les ondes sont caractérisées par trois propriétés : leur vitesse,

leur longueur d’onde et leur fréquence. D’abord, la vitesse de propagation d’une

onde V, qui dépend uniquement des propriétés du milieu qu’elle traverse (densité,

température, masse linéique, etc). Autrement dit, après la formation d’une onde, sa

vitesse ne varie qu’au changement de milieu, et le retour au milieu d’origine

implique le retour respectif à la vitesse d’origine. Ensuite, la longueur d’onde , qui

est définie comme la distance qui sépare deux oscillations maximales. Le temps

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mis pour parcourir une longueur d'onde est appelé la période T et se mesure en

secondes. Ces trois valeurs sont liées par la relation :

Nous pouvons distinguer deux types d’ondes : les ondes

électromagnétiques, qui n’ont pas besoin d’un milieu matériel pour se propager et

les ondes mécaniques, qui en ont besoin. Nous nous intéresserons ici aux ondes

ultrasonores, qui sont des ondes mécaniques.

3) Les ondes ultrasonores

Une onde acoustique est une perturbation mécanique, c’est-à-dire une onde

de compression-dilatation du milieu. Pour comprendre ce phénomène, il faut

imaginer que les molécules d'air poussées par la corde subissent une pression

mécanique. Cette énergie fait osciller la pression de l'air : la pression croît et

décroit alternativement autour d’une valeur appelée "d’équilibre".

Les ondes ultrasonores, ou ultrasons, sont des ondes acoustiques de

fréquence supérieure à la gamme de fréquences audibles par l’homme, c’est-à-

dire, supérieure à 20 kHz. Elles se déplacent à la vitesse du son qui varie, bien

entendu, selon le milieu qu’elles traversent. La vitesse du son à 15ºC au niveau de

la mer est d’environ 340 m.s-1.

La rencontre de deux ondes se traduit par une superposition de celles-ci.

Cela signifie qu’en un point de rencontre, l’état de ce point est égal à la somme

géométrique des ondes qui le traversent. Après cette interférence, les ondes

conservent leurs caractéristiques. Ainsi peut-on écouter un concert sans

annulation du son d’un instrument ou majeure distorsion d’un autre.

À la rencontre d’un obstacle, c’est-à-dire, d’un changement du milieu

traversé, les ondes peuvent subir divers phénomènes physiques tels la réflexion,

réfraction, diffraction et diffusion.

Nous avons donc exploité la réflexion des ondes pour le fonctionnement de

la canne. Ainsi, à l’encontre d’un nouveau milieu, une grande partie de l’onde

incidente est réfléchie par l’interface. D’après les lois de Snell-Descartes, l’angle

de réflexion par rapport à l’interface est le même que celui d’incidence. Si

l’équation de l’onde incidente est y = Ai.sin(k.x − ω.t) avec ω sa fréquence et k son

nombre d’onde, alors l’équation de l’onde réfléchie est y = Ar.sin(k.x + ω.t), les

coefficients A étant déterminés par le rapport entre les vitesses de propagation de

l’onde dans les deux milieux en question.

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Théoriquement, l’onde réfléchie en pointant de façon perpendiculaire au

plan d’incidence devrait donc être plus ou moins destructive avec l’onde incidente

selon l’impédance acoustique de l’obstacle en question. Cependant, la surface

rencontrée n’est jamais parfaitement plane. De plus, lorsque les irrégularités de la

surface sont de l’ordre de grandeur de la longueur de l’onde étudiée (c’est-à-dire

10⁻ ² m) il se produit le phénomène de diffusion: l’onde est donc diffusée dans

toutes les directions possibles.

4) Les capteurs

a.- Les capteurs infrarouges

Un capteur infrarouge utilise le rayonnement électromagnétique situé dans

le spectre des infrarouges (λ∈ [0,7;100] μm). Ce capteur est constitué d’un IRLED

(LED émetteur de rayonnement infrarouge), ce LED va produire un faisceau

lumineux d’une certaine longueur d’onde et fréquence et qui sera invisible pour

l’œil humain; le faisceau va se propager de manière rectiligne dans le milieu où il

se trouve (air dans le cas de la canne blanche). Au moment où le faisceau

rencontre un obstacle une partie de l’onde sera réfléchie par le obstacle et sera

renvoyée au capteur où un phototransistor va recevoir le faisceau lumineux réfléchi

et, avec cette onde, il va gérer une tension qui sera étudiée pour nous donner une

distance entre le capteur et l’obstacle.

L’utilisation d’un capteur infrarouge est lié à certaines contraintes, par

exemple: la lumière de l’environnement peut interférer dans l’étude de la lumière

reçue par le phototransistor, c’est pour cela qu’il fallait mettre des circuits de

filtrage de longueur d’onde pour être surs que la longueur d’onde étudiée par le

phototransistor sera seulement celle qui sera émise par le IRLED. Une autre

contrainte c’est le manque de connaissance de chaque coefficient de réflexion de

chaque obstacle car le fonctionnement du capteur va varier en fonction de chaque

type d’obstacle.

La canne blanche a deux capteurs infrarouges, un SHARP 2y0a21 qui gère

une tension entre 0,3 et 3,1V qui correspond a une précision inférieure à 20 cm,

c’est pour cela qu’on l’a mis en bas de la canne car on voulait avoir un rapport des

obstacles à une distance pas très importante (à cause de l’inclination de la canne).

L’autre capteur infrarouge SHARP GP2Y0A02YK a un rang plus grand (de 20 à

150cm) on l’avait mis en haut de la canne car à cette hauteur là la canne est plus

éloignée des obstacles.

Par rapport au capteur ultrason, le capteur infrarouge nous donne une

meilleure précision qui n’est pas très influencée par plusieurs états

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environnementaux, c’est à dire que la précision du capteur infrarouge n’est pas

influencée par l’humidité, la pression ou la température du milieu.

b.- Les capteurs ultrasons

Les capteurs ultrasons produisent des ondes mécaniques de fréquence

supérieure à 20kHz, que l’oreille humaine ne peut pas entendre. Ils sont constitués

d’un transducteur qui transforme les impulsions électriques reçues en ultrasons. Si

les ultrasons sont de forte puissance, ils peuvent entraîner des modifications

physiques et chimiques d’un matériau. S’ils sont de faible puissance, on peut les

employer pour effectuer des mesures. On s’intéressera à ces derniers, avec une

fréquence de 40 kHz pour effectuer des mesures dans l’air. Pour cela, le principe

est presque le même que pour les capteurs infrarouges. L’onde se propage de

façon rectiligne à la vitesse du son et est réfléchie par l’obstacle rencontré. Elle est

reçue par le transducteur qui la transforme en signal électrique que l’on pourra

étudier. La distance parcourue pourra donc être déduite grâce au temps que l’onde

prend pour parcourir la distance et à la vitesse de l’onde par la relation V=D/T.

Le capteur ultrason de la canne blanche fonctionne en mesurant le temps

d’aller-retour d’une onde sonore qui est émise et ensuite reçue par le même

capteur. Ce capteur présente plusieurs avantages par rapport au capteur

infrarouge : il a une portée assez importante qui peut arriver jusqu'à 4 mètres. De

plus, il a un rang de détection plus grand qui permet la détection d’objets non

seulement en ligne droite, mais avec une forme de « couronne ».

Le capteur ultrasons a quelques limitations. D’abord, le capteur a une

distance minimale et une distance maximale. Celles-ci peuvent varier : la minimale

et souvent d’une fraction de centimètre et la maximale de quelques mètres. De

plus, la capacité de réflexion de l’obstacle rencontré peut changer ces nombres :

un mur recouvert de moquette réfléchira moins bien l’onde qu’un mur recouvert de

peinture, par exemple. Donc, la distance maximale sera moins importante avec un

mur de moquette. De plus, l’onde ultrasonore émise peut se confondre avec

d’autres appareils qui utiliseraient les mêmes fréquences. D’autre part, des

facteurs environnementaux tels que l’humidité, la température et la pression du

milieu de propagation. C’est pourquoi, nous allons étudier le degré de variation

provoqué par la variation de ces facteurs.

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IV. Les expériences et la notion d’incertitude

1) Les expériences Théoriquement, la vitesse de propagation des ultrasons varie selon les

conditions atmosphériques. Ces variations pourraient fausser les calculs effectués

par la canne et donc provoquer un mauvais fonctionnement de celle-ci. Ainsi, nous

avons envisagé de faire varier la température, l’humidité et la pression pour

simuler des conditions auxquelles un aveugle pourrait faire face afin d’observer

l’ordre de grandeur des variations et pouvoir adapter la canne à ces mesures si

nécessaire.

D’abord, nous avons construit une boîte en acrylique transparent pour créer

un mini-milieu dont nous aurions le contrôle de température et humidité. Des

perforations de deux faces opposées servaient au positionnement d'un émetteur et

un récepteur d'ultrasons situés à une distance connue, mesurée

expérimentalement la plus grande possible pour que les capteurs réagissent avec

une sensibilité exploitable (40 cm). Les deux paramètres seraient modifiés

séparément.

D'une part, la température a été diminuée par entropie, en plaçant dans la

boîte un bac à glace. La thermodynamique nous a ainsi permis d'atteindre les 10ºC

comme température minimale. Aussi, elle a été augmentée grâce à un sèche-

cheveux, atteignant les 45ºC comme température maximale. Deux thermomètres

placés à l'intérieur de la boîte nous permettraient de vérifier l'homogénéité de la

température lorsque les mesures seraient prises.

Fig.3. Montage pour diminuer la température

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Fig.4. Montage pour augmenter la température

D'autre part, nous avons fait varier le taux d'humidité grâce à un petit

montage. Un bac d'eau est placé dans la boîte qui, recouverte de papier noir, est

éclairée par une lampe. Ainsi pouvons-nous contrôler l'humidité de 40 à 60%.

Deux capteurs d’humidité étaient placés dans la boîte (afin d'éviter une différence

de conditions entre le milieu mesuré et l'appareil de mesure qui pourrait affecter la

véracité des mesures) pour vérifier l'homogénéité de l'humidité du milieu lors de

mesures.

Fig.5. Montage pour faire varier le taux d’humidité

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Ensuite, nous avons envisagé de faire varier la pression à l’aide d’une

cloche à vide. L’émetteur et récepteur devaient alors être placés dans cet espace

réduit, et la réflexion des ondes pouvait éventuellement servir à augmenter la

distance mesurée.

Le montage permettant de mesurer la vitesse de propagation des ultrasons

dans les différentes conditions est le même pour les trois paramètres. D’abord,

l’émetteur doit être connecté à un générateur de salves, lui-même connecté à un

générateur +15/-15V et un GBF de fréquence 40kHz. Ensuite, l’émetteur et le

récepteur sont chacun connectés soit directement à l’oscilloscope, soit à orphy

GTS. Ainsi, le retard mesuré entre la salve émise et celle reçue nous permet,

grâce à la distance connue entre les deux capteurs, de calculer la vitesse de

propagation des ultrasons.

Cependant, lors de la réalisation de “l’expérience témoin” à conditions

ambiantes (20 °C, Patm), nos mesures indiquaient une vitesse de 271 m/s, soit une

différence de 79 m/s par rapport à la valeur normale. Nos résultats seront donc

expliqués par la suite.

2) Incertitudes de mesure

a- Calcul d’incertitudes

Lorsque l’on réalise une série de mesures, celles-ci sont soumises à des

conditions environnementales qui modifient les valeurs obtenues. Par exemple, les

instruments de mesure peuvent être source d’erreurs, parfois ils peuvent avoir un

temps de réaction, une sensibilité ou une exactitude différente à chaque mesure.

D’autre part, l’opérateur ne refait jamais exactement la même mesure dans les

mêmes conditions, au bout d’un moment il peut se fatiguer ou encore mal estimer

la position du ménisque sur un thermomètre. Lorsque l’on effectue une mesure il

faut donc prendre en compte plusieurs paramètres et opérations qui sont, chacun,

source de variabilité.

On définit la mesure comme l’ensemble des opérations ayant pour but de

déterminer la valeur d’une grandeur et le mesurande qui est une mesure que

l’on obtiendrait par une mesure parfaite. On ne la conna t pas et on parle

également de valeur théorique ».Il faut donc introduire une notion d’erreur qui est

l’écart entre la valeur mesurée et la valeur vraie. Pour déterminer une incertitude

sur une mesure, les étapes sont les suivantes :

• Choisir une méthode de mesure.

• Modéliser la mesure :

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◦ Déterminer les différentes variables qui entrent dans la mesure.

• Déterminer la fonction mathématique qui lie ces variables.

Dans notre expérience, nous avons souhaité faire la mesure de la vitesse des

ultrasons dans le milieu ambiant. Nous avons choisi deux méthodes de mesure:

Fig.6. Montage de mesure avec GTS II

Fig.7. Montage de mesure avec oscilloscope

Pour la première méthode, nous avons utilisé un module d’acquisition

ORPHY-GTS qui permet de visualiser des tensions sur le logiciel GTS-II (Fig.1.).

Pour la deuxième méthode nous avons utilisé le même matériel mais nous avons

remplacé le module d’acquisition ORPHY par un oscilloscope. (Fig.2.)

Dans les deux cas nous avons placé le récepteur à 17 cm de l’émetteur en

s’assurant qu’ils soient bien alignés. Nous avons fait de sorte que la durée T des

salves soit la plus longue possible et la fréquence avec laquelle elles sont émises

soit la plus faible (F-T). L’acquisition sur ORPHY a duré 50ms avec 2500 points

d’acquisition, c’est-à-dire que la durée pendant laquelle le logiciel enregistrera les

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signaux émis et reçus sera de 50ms et que pendant ces 50ms le logiciel fera 2500

mesures. Puis nous avons envoyé l’acquisition sur Regressi et tracé les courbes

des signaux.

Les différentes variables qui entrent en compte dans la mesure sont

l’incertitude sur la mesure de distance entre l’émetteur et le récepteur (l’incertitude

de mesure du retard entre l’émission et la réception du signal sur les courbes de

Regressi ou sur l’oscilloscope), ainsi que le temps de réaction et la sensibilité des

capteurs.

Pour mesurer la distance entre le capteur et l’émetteur nous avons fait

usage d’un mètre. Cette mesure nécessite une double lecture et l’incertitude liée à la lecture est estimée à :

Dans notre cas la plus petite graduation de l’appareil de mesure utilisé correspond

à 1mm donc l’incertitude de notre mesure équivaut à :

On a donc:

En ce qui concerne la durée, son incertitude équivaut à la somme de l’intervalle d’erreur de mesure quand le signal est émis et l’intervalle d’erreur quand le signal est reçu. C’est à dire qu’on prend le curseur et avec celui-ci on encadre le début du signal émis et ensuite on encadre le début du signal reçu puis on ajoute les deux intervalles au retard que l’on a choisi.

’

’

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FIG.8. Exemple de mesure et incertitude sur un oscilloscope

On établit donc la relation mathématique qui lie ces variables, on obtient la relation suivante :

Pour t nous avons trouvé 0,806 ms pour une distance de 17cm ce qui nous fait une valeur estimée de 210 m.s-1. De même, nous l’avons essayé pour une distance de 42 cm deux fois et avons obtenu 262 m.s-1 et 265 m.s-1 (voir exemple de courbe en annexe 1)

b.- Calcul d’erreur

La valeur théorique de la célérité d’une onde sonore ou ultrasonore dans l’air est donnée par la relation suivante: (Baccalauréat général session 2010 en métropole)

Avec R=8,315 SI T température de l’air en K (=température en Celsius+ 273,15) M masse molaire de l air M=29,0*10-3 Kg.mol-1

Dans notre cas nous avions une température ambiante de 22 degrés Celsius soit 295K. On obtient donc:

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Vthéorique = 344m.s-1 On va donc comparer notre valeur estimée (210m.s-1) à cette valeur théorique. La valeur obtenue permettra de déterminer la qualité du résultat de la mesure. Le calcul de cette incertitude relative est le suivant:

Notre valeur mesurée est donc de très mauvaise qualité puisque l’on considère qu’à partir de 1% la mesure n’est plus de bonne qualité. On peut prendre en compte les incertitudes, les erreurs de mesure systématiques. On peut exemplifier ces erreurs par le tir dans une cible :

FIG.9. Schématisation des erreurs de mesure et des erreurs de mesures

aléatoires. (DGESCO-IGEN) Un appareil défectueux ou utilisé incorrectement conduit à des valeurs proches les unes des autres mais éloignées de la vraie valeur. Dans notre cas on se situe dans la deuxième configuration de la (FIG 4). Nos valeurs ne sont pas fidèles entre-elles (210m.s-1, 265m.s-1) et elles ne sont pas justes (38% d’incertitude relative).

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Quand l’incertitude relative est supérieure à 1%, il faut chercher comment améliorer la qualité de la mesure effectuée. Par exemple, le matériel utilisé a-t-il une tolérance suffisamment faible ? Le matériel a-t-il été manipulé correctement ? Vu que notre incertitude relative est très élevée et que notre matériel est très âgé on pourrait remettre en cause la qualité du temps de réaction de la sensibilité de nos émetteurs et récepteurs. Pour conclure, nous avons vu qu’il existe plusieurs paramètres qui font varier la valeur d’une mesure. Les deux méthodes de mesure que nous avons choisies n’ont pas permis de déterminer une valeur expérimentale de bonne qualité. D’une part nous avons obtenu une erreur de 38% avec le premier montage par rapport à la valeur théorique. D’autre part nous n’avons même pas pu obtenir des signaux clairs sur l’écran de l’oscilloscope donc il était impossible de déterminer une valeur expérimentale. On a donc remis en cause la qualité de notre matériel, surtout de nos émetteurs et récepteurs. Vu que nous ne pouvons faire confiance à notre matériel, nous n’avons pas pu exploiter les expériences mais opté pour faire des recherches sur le degré de variation provoqué par l’humidité, la température et la pression sur la vitesse des ultrasons.

V. Conclusion

Théoriquement nous voulions démontrer, à travers des expériences, que la canne peut être utilisée n'importe où sans avoir la nécessité de modifier les capteurs puisque l'influence des paramètres sur la vitesse des ultrasons est négligeable. Nous avons trouvé, en faisant des recherches, que la température a une influence sur la vitesse du son.

Fig.8. Variation de la vitesse du son en fonction de la température

Selon les valeurs du tableau et un calcul, à 0°C on a une marge d’erreur de 3,6% et à 40°C elle est de 2,9%. Le calcul est le suivant, et le même pour chaque cas :

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Exemple :

Ensuite pour la pression et l'humidité nous avons trouvé un site internet (http://www.sengpielaudio.com/calculator-airpressure.htm) où l'on peut modifier les trois paramètres et on affiche une valeur de la vitesse. On remarque que la pression n'a aucune influence et que l'humidité ne fait quasiment pas varier la vitesse du son par rapport à la température. On a pris 50% d'humidité comme valeur moyenne avec 22°C et on obtient 345m.s-1. Avec 5% d'humidité et avec la même température l'erreur est de 0,2% et avec 70% d'humidité l'erreur est de 0,375%. Avec des capteurs d'une meilleure sensibilité nous aurions pu observer les différences liées à chaque paramètre. Nous aimerions aller plus loin par la suite en achetant de nouveaux capteurs de meilleure qualité afin de mettre à profit les différentes expériences que nous avons mis en place et qui permettrait d’étudier l’influence de ces différents paramètres sur la vitesse de propagation des ondes ultrasonores. Néanmoins pour l'usage des aveugles, ces différences semblent négligeables (0,2% d’erreur sur une distance de 30 cm ne représente que 0,6 mm de différence). La canne répond donc aux besoins des aveugles dans n'importe milieu ambiant où ils se situent, et permet d’améliorer leur autonomie au quotidien.

Bibliographie :

-(DGESCO-IGEN) Ministère de l’Éducation Nationale de la Jeunesse et de la Vie Associative, « Mesure et incertitudes ». (Mai 2012). 4-7 -Exercice 2-La nuit du 21 Juin 1822. Sujet Baccalauréat général Physique-Chimie (session 2010) -Pour la Science, numéro spécial « L'univers des ondes », no 409, novembre 2011 -Jacques PARRA et Phillipe CAMPION, http://www.web-sciences.com/documents/terminale/tedo02/teco02.php -Thierry DULAURANS et André DURUPTHY, Physique-Chimie TS Enseignement spécifique, Hachette, Édition 2012, Chapitres 1 et 2 et fiches 3 et 4. -Carl R. Nave, « Reflection of sound », HyperPhysics -Patrick BOURGUET, « Sons et ultrason, Applications: échographie et doppler », 2011 -J-J ROUSSEAU, « Réflexion des ondes » Physique et simulations numériques -Paul SCHERZ et Simon MONK, « Ultrasonic distance », Practicalelectronics for inventors, 2013 -http://www.sengpielaudio.com/calculator-airpressure.htm

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ANNEXES

Annexe 1: Exemple de courbe obtenue sur Regressi avec capteurs placés à 2 cm l’un de

l’autre.

Annexe 2: Dossier TPE SI 2014 : programmation et câblage

Câblage a) Circuit Électrique

Le circuit est composé de trois capteurs, deux

infrarouges et un ultrason, un buzzeur, un

moteur vibreur,une résistance de 250Ω, une

batterie de 9Volts et la carte.Les capteurs

seront branchés sur les entrées analogiques et

le vibreur et le buzzeur sur les numériques.

Les deux capteurs infrarouges sont branchés

en parallèle aux entrées GRND, A0 et 5V. La

borne négative de la batterie sera branchée

avec le fil noir qui se connecte au GRND.

L’autre borne de la pile est branchée à une

cathode du capteur ultrasons et l’autre ira à l’entrée A1 de la carte. Cette connexion-là est

liée à une résistance qui est aussi branchée à la borne négative de la pile. Finalement, les

21/21

récepteurs du circuit seront branchés dans les entrées numériques 12, 13 et GRND en

formant un circuit en dérivation.

b) Carte Arduino La carte Arduino Uno est le circuit imprimé qui a permis la réalisation de ce projet. Ses

nombreux composants électroniques permettent de traiter le programme préalablement

introduit , dans le but de gérer un circuit complexe(interprétation des informations et envoie

des tensions électriques adaptées aux divers entrées/ sorties du circuit). Dans le cas de

l’Arduino Uno, elle possède 14 entrées/sorties numériques. Elles reçoivent des petites

tensions ou les envoient (40mA) aux composants branchés pour qu’ils puissent s’activer.

Elle possède aussi 6 entrées analogiques qui ont presque le même principe que les

numériques, à la différence près qu’elles fournissent ou reçoivent 10 bits de résolution. La

Carte a aussi des entrées d’alimentation comme le port USB et un bouton reset. Elle a une

mémoire de 32KB et elle fonctionne avec une tension de 5V.

Programmation Au niveau de la programmation, nous avons préparé le travail en utilisant deux logiciels

différents.

a) Flowcode Au début du projet, nous avons utilisé le logiciel Flowcode qui permet de réaliser des

programmes et simulations avec une interface et un langage assez simple. De cette façon,

nous avons réussi à créer la structure initiale qu’aurait la programmation finale. Cette

programmation est l’essai final qui nous a permis de voir les entrées et sorties nécessaires

pour que la canne puisse fonctionner comme nous voulions : Tout d’abord, la carte lit les

valeurs de deux capteurs et ensuite vérifie si le capteur ultrason détecte un obstacle à une

distance égale ou inférieure à 50cm. Dans le cas contraire, la même opération est menée

pour le capteur infrarouge qui donnera une meilleure précision. À la fin, quelque soit le

résultat obtenu, il y aura une petite pause qui permettra d’améliorer le rendement des

piles.TPE 2014: Canne Blanche Électronique 16/21 b) Arduino Pour le projet final, nous avons utilisé une carte Arduino comme interface entre les capteurs

et les sorties qui renseigneront ensuite l’aveugle sur les obstacles sur son chemin. Alors, le

logiciel utilisé est, bien évidemment, Arduino qui utilise un langage C++. De cette façon,

nous pouvions télécharger le programme sur la carte et ainsi essayer le fonctionnement de

la canne pour pouvoir affiner sa précision. Le fait d’avoir réalisé une première approche

avec un logiciel plus simple nous a permis de faciliter la programmation sur ce logiciel.

Nous avons utilisé la même structure que nous avions obtenue, mais grâce à ce logiciel qui

est beaucoup plus complet, nous avons pu obtenir un fonctionnement TPE 2014: Canne

Blanche Électronique 17/21 spécifique tel qu’une meilleure précision de l’interprétation des

données obtenues par les entrées. Cette programmation correspond à celle du capteur

infrarouge mais qu’on utiliserait pour tous les capteurs étant donné que le fonctionnement

est similaire. Nous retrouvons la définition des entrées, et surtout du Threshold qui

correspond au rang des capteurs, à partir duquel les capteurs enverront le signal pour

activer la sortie. L’amélioration de ce logiciel par rapport au précédent consiste dans le fait

de pouvoir assigner différentes sorties à chaque entrée ce qui permettra au non-voyant de

reconnaître si l’objet se trouve juste en face de la canne (capteur infrarouge) ou si l’obstacle

a été détecté par le capteur ultrason.