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TP Assistance au
Stationnement
Sommaire
Assistance au stationnement : fiche professeur ..................................................................................... 2
Etude du radar de recul d'un véhicule .................................................................................................... 4
Correction .............................................................................................................................................. 14
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Assistance au stationnement : fiche professeur
L'activité proposée concerne:
Niveau : terminales STL et STI2D
Programme commun de sciences physiques
Partie de programme : Transport
Sous-partie : Assistance au déplacement
Capacités exigibles :
- Préciser les grandeurs d’entrée et de sortie ainsi que le phénomène physique auquel la grandeur
d'entrée est sensible.
- Distinguer les deux types de grandeurs : analogiques ou numériques.
- Mettre en œuvre expérimentalement une chaîne de mesure simple (conditionneur de capteur,
conditionneur de signal, numérisation, etc.)
- Propagation des ondes ultrasonores (réflexion et absorption)
Objectifs de la séquence:
Comprendre le fonctionnement d’un capteur télémètre à ultrasons.
Déterminer les limites d’utilisation d’un radar de recul.
Connaître les modes de propagation des ondes ultrasonores (absorption, réflexion).
S'approprier une problématique.
Envisager et réaliser un protocole.
Exploiter des mesures et présenter des résultats.
Organisation et durée de la séquence:
Durée : 3 heures dont 2 heures en TP. La séquence est organisée en trois temps :
Premier temps : travail préparatoire (étude préalable de deux documents) que les élèves doivent faire
à la maison après explication des consignes en classe. Ceci a pour but de les préparer au TP.
Deuxième temps : correction du travail préalable, réalisation de la partie expérimentale puis
exploitation des résultats.
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Matériel pour le TP (à réaliser dans une salle informatique):
Emetteur télémètre Moduson – réf. 222036
Récepteur Moduson – réf. 222028
Groomy – réf. 181000
Pack « radar de recul » – 181270
Générateur Basse Fréquence (40kHz)
Un mètre ruban
Une potence avec une pince
Un matériau « doux » (exemple : polystyrène, mousse polyuréthane expansé, laine de roche…)
Remarques concernant l'organisation de la partie TP
Avant de commencer la partie expérimentale, il faut faire un bilan des différents protocoles envisagés
par les élèves.
Plusieurs configurations sont envisageables selon le matériel dont on dispose.
Les élèves peuvent travailler par groupe et réaliser l'ensemble du travail. Ou, en fonction du matériel,
faire la partie 1 puis la partie 2 pour la moitié des binômes et l’inverse pour les autres.
Le tableau et le tracé peuvent être réalisés dans un tableur, en fonction des compétences déjà acquises
par les élèves.
Pour l’exploitation du TP, vous devez télécharger et installer gratuitement les logiciels :
- Gestionnaire Groomy
Sur http://www.espace-groomy.fr/Ressources/Ressources.html
- Groomy SysML Evaluation
Sur http://www.espace-groomy.fr/Logiciels/Logiciels.html
A télécharger également le fichier : radar_recul.gmy
Sur www.jeulin.fr sous la référence 181270.
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Étude de l’assistance au stationnement
I Introduction
La plupart des véhicules récents est équipée d’un radar de recul. Cet accessoire permet de détecter la
distance entre le parechoc arrière de la voiture et l'objet le plus proche. Le principe est le suivant : des
capteurs placés dans le pare-choc arrière du véhicule émettent une série d’impulsions, les ondes
réfléchies par les obstacles sont reçues par les mêmes capteurs utilisés en récepteur.
La centrale électronique incorporée traite ces signaux, mesure le temps écoulé entre l’émission et la
réception de l’onde et calcule la distance entre l'obstacle et le véhicule.
Un tel système est capable de signaler la distance à laquelle se trouve l’obstacle, comprise entre 5 cm
et 1,5 m.
http://tpe-onde-sonore.e-monsite.com
II Problématique et démarche de résolution
Voici la problématique à laquelle vous devez tenter de répondre :
Quel est le principe de fonctionnement d’un radar de recul ?
Vous effectuerez, au préalable, une étude de documents afin de comprendre le problème et
d'envisager vous-même un protocole expérimental.
Vous réaliserez des mesures à l'aide du matériel suivant (séance de TP) :
émetteur et récepteur à ultrasons: ils permettront d’étudier le principe de la mesure de distance.
console Groomy, avec le capteur télémètre et l’actionneur « buzzer ».
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Les objectifs de cette séance de TP sont:
Comprendre le fonctionnement d’un capteur télémètre à ultrasons.
Déterminer les limites d’utilisation d’un radar de recul.
Connaître les modes de propagation des ondes ultrasonores (absorption, réflexion).
III Étude préalable et questionnement
DOCUMENT N°1
Garer son véhicule, effectuer une
manœuvre en toute sécurité, n’est pas
toujours chose facile.
Les constructeurs, conscients de ces
difficultés, apportent une aide aux
conducteurs en équipant les véhicules d’un
dispositif de détection d’obstacles.
Ce système améliore l’aide à la conduite en cours de manœuvre. Les personnes et les biens matériels
se trouvant dans la zone d’évolution du véhicule sont signalés au conducteur.
Lors d’une manœuvre en marche arrière, le conducteur est informé par un signal sonore de la présence
d’un obstacle. La fréquence du signal est modulée d’après la distance qui sépare l’obstacle du véhicule.
L’aide au stationnement fonctionne sur le principe du sonar, il utilise les ultrasons émis par les
capteurs, ces ultrasons rebondissent sur l’obstacle pour être captés et renvoyés au calculateur.
Le capteur utilisé pour la détection d’un
obstacle émet d’abord un signal d’ondes
sonores et le réceptionne ensuite en
retour par le phénomène de l’écho, sous
une fréquence variable, fonction de la
distance avec l’obstacle de réflexion.
Lors de l’enclenchement de la marche
arrière, le système mesure la distance
comprise entre l’arrière du véhicule et
l’obstacle le plus proche.
Un signal sonore à rythme variable est émis par le bruiteur pour informer le conducteur du
rapprochement de l’obstacle dans la zone de détection. Le rythme d’émission du signal s’accélère au
fur et à mesure que le véhicule se rapproche de l’obstacle. Le signal sonore devient continu lorsque la
distance mesurée est inférieure à 0,30 m (cette valeur est une moyenne qui peut varier selon la marque
et le type du véhicule).
Les obstacles situés trop haut (~ au-dessus de 0,75 m) ne peuvent être détectés.
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Le calculateur a accès aux informations suivantes :
- temps séparant l’onde d’émission de celle de réception venant de l’écho,
- la vitesse de propagation des ondes ultrasonores (déplacement dans l’air ~342 m/s).
Extrait de : Educauto.org
DOCUMENT N°2
Le principe de fonctionnement d’un capteur ultrasonique repose sur
l'utilisation des ultrasons.
L'ultrason est une onde acoustique dont la fréquence est trop élevée pour être
audible par l'être humain.
On crée des ultrasons grâce à l'effet piézo-électrique.
Certains matériaux, dont le quartz, ont la propriété de vibrer quand on leur applique une tension (cet
effet est réversible). Ils permettent ainsi la conversion d’une énergie électrique en une énergie
mécanique et réciproquement.
Lorsque l'on alimente le détecteur, l'élément piézo-électrique se met à vibrer à une fréquence qui
dépend du cristal (souvent 40 kHz ou 200 kHz). Cette vibration est transmise au milieu ambiant grâce
à la face avant du capteur qui est composé de céramique.
Exploitation des documents N°1 et N°2
1) Quels sont les éléments constitutifs de la chaîne de mesure ?
2) Indiquer, à l’aide d’un schéma, les grandeurs d’entrée et de sortie des capteurs en
émetteur puis en récepteur ?
3) Quelles sont les ondes utilisées par les capteurs ? Pourquoi utiliser ces ondes ?
4) Quelle manipulation de l’automobiliste est conditionnée par la mise en œuvre de ce
système ?
5) Expliquer comment le calculateur détermine la distance à l’objet ? Écrire la formule qui lie
la distance, d, entre le pare choc et l’obstacle, la durée Δt qui sépare l’émission et la
réception et la célérité v de l’onde.
6) Calculer la distance entre le pare choc et l’obstacle si la durée entre l’émission et la
réception est de 6 ms.
7) Comment le conducteur est-il informé de l’évolution de la distance entre l’obstacle et la
voiture ?
8) Quelle limite de ce système, « impose » au conducteur de regarder derrière ?
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Afin de préparer la séance de travaux pratiques, proposer un protocole expérimental
permettant de déterminer la distance capteur / obstacle à partir du matériel mis à votre
disposition.
Liste du matériel :
- Émetteur télémètre moduson– réf. 222036
- Récepteur moduson, Réf 222028
- Oscilloscope
- Obstacle (planche en bois)
IV Mesures et exploitation (séance de TP)
1) Principe de la mesure de distance
Mode opératoire
→ Alimenter l’émetteur à ultrasons sous 15 V et positionner le commutateur de l’émetteur sur le mode
« Salve ».
→ Relier l’émetteur à la voie 1 de l’oscilloscope et le récepteur à la voie 2 de l’oscilloscope.
→ Positionner l’émetteur et le récepteur l’un en face de l’autre, à une dizaine de centimètres l’un de
l’autre et régler l’oscilloscope afin d’obtenir à l’écran le signal émis par l’émetteur et le signal reçu par
le récepteur.
→Appeler le professeur pour vérification.
Question 1
Placer côte à côte l’émetteur et le récepteur, en l’absence d’obstacle. Qu’observez-vous sur la voie 2
de l’oscilloscope ?
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…...........................................................................................................................................................
Question 2
Ajouter l’obstacle (planche en bois) en face de l’émetteur et du récepteur. Qu’observez-vous sur la
voie 2 de l’oscilloscope ? Quel nom donne-t-on au phénomène physique observé ?
…...........................................................................................................................................................
…...........................................................................................................................................................
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Question 3
Fixer la position de l’obstacle et relever l'oscillogramme des tensions sur les voies 1 et 2.
Déterminer la durée, Δt, mise par les ultrasons pour faire l’aller-retour.
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…...........................................................................................................................................................
Question 4
Déterminer la distance D en utilisant seulement la mesure précédente. Présenter les calculs
correspondants.
Rappel : La célérité du son et des ultrasons dans l’air est estimé à 342 m.s-1.
…...........................................................................................................................................................
…...........................................................................................................................................................
Question 5
Mesurer la distance réelle, Dr avec une règle et comparer cette mesure à celle déterminée à la question
précédente.
On rappelle que l’écart relatif a pour expression : ε = |𝐷𝑟 − 𝐷|
𝐷𝑟
Expliquer les éventuels écarts entre les deux valeurs.
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…...........................................................................................................................................................
…...........................................................................................................................................................
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2) Mise en œuvre expérimentale d’une chaîne de mesure
2.1) Etude du capteur télémètre
Mode opératoire
Alimenter la groomy grâce à son cordon d’alimentation et au transformateur fourni, puis, la
connecter au réseau.
Brancher le capteur télémètre sur l’entrée analogique 1.
Ouvrir le
« Gestionnaire Groomy », et double-cliquer sur la groomy repérée automatiquement par
l’ordinateur. La fenêtre suivante apparait :
Vous devez déplacer le capteur télémètre verticalement afin de faire varier la distance, notée d
entre le capteur télémètre et l’obstacle (la table). Observer l’évolution des données sur la page
groomy.
Pour la mesure de la distance, d, vous utiliserez un mètre, maintenu verticalement.
Relever la tension en sortie pour différentes position du capteur, puis compléter le tableau de
mesure suivant :
Entrée
analogique 1
10
Distance d
(en mètre)
0,20 0,3 0,5 0,8 1 1.2 1.4 1.7 2,0
Tension de sortie (en Volt)
Tracer la caractéristique de transfert ; tension de sortie en fonction de la distance entre le capteur
et l’obstacle ; de ce capteur.
Question 6
Plusieurs types de signaux sont utilisés tout au long d’une chaîne de mesure.
Schéma1 Schéma 2 Schéma 3
Définition A. Un capteur TOR est un capteur numérique pour lequel on n’aurait que deux tranches :
soit 0, soit 1.
Définition B. Le signal peut prendre n’importe quelle valeur entre deux extrêmes, le capteur est dit
analogique.
Définition C. La sortie est un nombre. Cela revient à découper l’espace en tranches et à attribuer un
numéro à chaque tranche.
Associer la définition et le schéma correspondant à chaque type de signal.
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En déduire le type de capteur utilisé précédemment :
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Question 7
La sensibilité d’un capteur correspond à la variation du signal de sortie par rapport à la variation du
signal d'entrée, elle est notée s. A partir de la caractéristique de transfert tracée précédemment,
déterminer la sensibilité s du télémètre. Préciser son unité.
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Question 8
A partir de la sensibilité, déterminer la tension en sortie pour une distance capteur / obstacle de 70
cm. Vérifier expérimentalement votre résultat.
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Question 9
On souhaite vérifier les limites de fonctionnement de ce capteur. Pour cela, vous devez relever la
valeur de la tension de sortie pour une distance capteur/ l’obstacle, comprise entre 2 et 18 cm, puis
pour des distances supérieures à 2,5 m.
Donner vos mesures et conclure sur l’étendue de la mesure de ce capteur.
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…...........................................................................................................................................................
…...........................................................................................................................................................
Question 10
On souhaite, maintenant, vérifier la précision de ce capteur. Déterminer expérimentalement la
variation minimum de la distance capteur / obstacle, engendrant une variation de la tension de sortie
de 10 mV. (Il est conseillé de fixer le capteur télémètre sur une potence, pour plus de précision).
…...........................................................................................................................................................
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2.2) Fonctionnement du radar de recul
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Lorsque le radar de recul est en fonctionnement, la présence d'un obstacle est indiquée par un haut-
parleur (« buzzer ») émettant des bips d’autant plus rapprochés que l’obstacle est proche de la voiture.
Mode opératoire
Lancer l’exécution de Groomy SysML Evaluation
Cliquer sur l’icône « Sélectionner une interface Groomy »
Sélectionner une interface présente sur le réseau sur laquelle l’expérimentation est réalisée.
Ouvrir le fichier radar_recul.gmy correspondant au TP
En cliquant sur « Affection des entrées/sorties » , vérifier la configuration des
capteurs/actionneurs comme ci-dessous :
L’icône
buzzer doit être sur la sortie numérique 1 => l’actionneur buzzer doit être câblé au même endroit sur
l’interface Groomy®
L’icône télémètre doit être sur l’entrée analogique 1 => le capteur télémètre doit être câblé au même
endroit sur l’interface Groomy®
Lancer l’exécution du programme en cliquant sur l’icône « Démarrer/Continuer »
Dans ce cas, les valeurs des entrées/sorties sont visibles à droite de l’écran dans l’onglet
« Variables »
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Autre possibilité : télécharger le programme dans l’interface Groomy en cliquant sur l’icône qui
devient alors un automate.
Positionner le capteur télémètre à la distance maximale déterminée à la question 8, puis le
rapprocher le de l’obstacle. Vérifier le bon fonctionnement du radar de recul.
Question 11
a) Quel phénomène physique est illustré par le schéma (a) ci-dessus ?
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Vérification expérimentale : Positionner le capteur sur une potence horizontalement. Puis placer un
obstacle (planche) perpendiculairement, à une trentaine de cm. Incliner la planche de façon à avoir un
angle d’environ 45° entre l’axe du capteur et l’obstacle. Le radar de recul, fonctionne-t-il
correctement ? (le nombre de bip est-il le même avec et sans l’inclinaison, la distance restant fixe).
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b) Quel phénomène physique est illustré par le schéma (c) ci-dessus ? Citer un exemple « d’objet
doux » évoqué dans le document.
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« Dans certaines situations le principe de mesure
ultrasonique ne fonctionne pas de manière fiable. Ceci
est par exemple le cas sur des pentes légères et pour des
objets ronds (ex : boule d’attelage sur le schéma b) ou
doux absorbant les ondes ultrasoniques. »
(a) (b) (c)
- Extrait d’une notice d’un radar à ultrasons -
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Correction
Correction de l'étude préalable (travail préparatoire au TP)
Exploitation des documents N°1 et N°2
1) Quels sont les éléments constitutifs de la chaîne de mesure ?
La chaîne de mesure est constituée de capteurs à ultrasons, du calculateur et du bruiteur
d’avertissement.
2) Indiquer, à l’aide d’un schéma, les grandeurs d’entrée et de sortie des capteurs en
émetteur puis en récepteur ?
3) Quelles sont les ondes utilisées par les capteurs ? Pourquoi utiliser ces ondes ?
Les ondes utilisées par ces capteurs sont des ondes mécaniques ultrasonores. Ce sont des
ondes inaudibles, qui se réfléchissent sur la plupart des matériaux. De plus, les capteurs ne
seront pas perturbés par les rayonnements électromagnétiques.
4) Par quelle manipulation de l’automobiliste est conditionnée la mise en œuvre de ce
système ?
La mise en œuvre du système est conditionnée par l’enclenchement de la marche arrière.
CAPTEUR EMETTEUR Signal électrique Ultrasons
CAPTEUR RECEPTEUR Ultrasons Signal électrique
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5) Expliquer comment le calculateur détermine la distance à l’objet ? Écrire la formule qui lie
la distance, d, entre le pare-choc et l’obstacle, la durée Δt qui sépare l’émission et la
réception et la célérité v de l’onde.
Le calculateur mesure la durée qui sépare l’émission de l’onde et la réception de cette même
onde après réflexion sur un obstacle. Il utilise ensuite la formule reliant la distance, la durée et
la vitesse de propagation de l’onde : 2d = v × Δt soit d = 𝑣 × 𝛥𝑡
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6) Calculer la distance entre le pare choc et l’obstacle si la durée entre l’émission et la
réception est de 6 ms.
D’après le document N°1, la vitesse de propagation des ondes est de 342 m.s-1.
Donc d = 342 × 6.10−3
2 = 1 m
7) Comment le conducteur est-il informé de l’évolution de la distance entre l’obstacle et la
voiture ?
La fréquence des bips augmente quand la distance à l’obstacle diminue.
8) Quelle limite de ce système, « impose » au conducteur de regarder derrière ?
Ce système ne détecte pas les obstacles situés trop haut (au dessus de 75 cm) comme certains
camions de chantier. Il ne faut donc pas oublier de regarder derrière.
IV Mesures et exploitation (séance de TP)
1) Principe de la mesure de distance
Question 1
En l’absence d’obstacle, il n’y a aucun signal reçu par le récepteur, donc aucun signal sur la voie 2.
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Question 2
En présence de l’obstacle, on obtient un signal sur la voie 2. Il s’agit d’un phénomène de réflexion des
ondes.
Question 3
Déterminer la durée, Δt, mise par les ultrasons pour faire l’aller-retour.
Δt = nombre de division × 500 µs/div soit Δt = 1 ms
Question 4
La durée Δt d’un aller-retour est de 1 ms.
d = 𝑣 × 𝛥𝑡
2 =
342 × 1.10−3
2 = 0,2 m soit 20 cm
Question 5
La distance réelle mesurée à la règle est : Dr = 19 cm
Calcul de l’écart relatif ε = |𝐷𝑟 − 𝐷|
𝐷𝑟 =
|19 − 20|
19 = 0,05 = 5%.
L’écart relatif indique une mesure précise. La différence est liée aux imprécisions de lecture sur
l’oscilloscope ainsi qu’aux erreurs de mesure avec la règle.
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2) Mise en œuvre expérimentale d’une chaîne de mesure
2.1) Étude du capteur télémètre
Distance d
(en mètre)
0,20 0,3 0,5 0,8 1 1,2 1,4 1,7 2,0
Tension de sortie (en Volt)
0,5 0,65 1,05 1,7 2 2,45 2,9 3,5 4,1
Question 6
Le schéma 1 est associé à la définition B. Le schéma 2 est associé à la définition C. Le schéma 3 est
associé à la définition A.
Le capteur est donc analogique (Schéma 1 Définition B).
Question 7
La sensibilité du capteur est : s = ∆𝑉
∆𝑑 = =
4,1− 0.65
2 – 0,3 = 2 V.m-1
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Ten
sio
n d
e s
ort
ie (
en
Vo
lt)
distance (en mètre)
Caractéristique de transfert U = f(d)
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Question 8
V = s × d = 2 × 70.10-2 = 1,40 V
On retrouve approximativement la même valeur expérimentalement (1,45 V).
Question 9
Pour 2 cm < d < 18 cm, la tension reste constante à 0,5V.
Pour d > 2,5 m, la tension reste constante à 5V.
Donc l’étendue de la mesure est de 20 cm à 2,5 m.
Question 10
Pour une variation de distance capteur / obstacle de 0,5 cm, la tension de sortie varie de 10 mV.
Donc la précision du capteur est de 5 mm.
Question 11
a) Le phénomène physique illustré sur le schéma (a) est un phénomène de réflexion.
Lorsque l’obstacle est incliné par rapport au capteur, la fréquence des bips varie, pour une
distance maintenue constante. Le fonctionnement n’est donc pas correct.
b) Le phénomène physique illustré par le schéma (c) correspond au phénomène d’absorption
des ondes. Un « objet doux » correspond par exemple à du polystyrène, de la mousse…
