Conception d’un radar d’aide à la conduite automobile utilisant un système discriminateur de fréquence type ”six-port” Beatriz Amante Garcia To cite this version: Beatriz Amante Garcia. Conception d’un radar d’aide à la conduite automobile utilisant un système discriminateur de fréquence type ”six-port”. Engineering Sciences [physics]. Télécom ParisTech, 2002. English. ￿NNT: ￿. ￿pastel-00000516￿ HAL Id: pastel-00000516 https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00000516 Submitted on 16 Apr 2004 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. CHAPITRE 1 C H A P I T R E CHAPITRE 0 R EMERCIEMENTS CHAPITRE 0 Je tiens tout d’abord à exprimer mes sincères remerciements à mon Directeur de thèse, Monsieur Bernard Huyart, Professeur à L’ENST , d’avoir accepté de diriger ce tra- vail. Sa disponibilité et ses précieux conseils m’ont permis de mener à bien ces travaux. Je tiens à remercier Monsieur Louis Jallet, anciennement responsable du Groupe Hyperfréquence, pour m’avoir accueilli dans le laboratoire, ainsi que l’actuel responsable du département Monsieur Jean Claude Bic. J’exprime mes sincères remerciements à Monsieur le Professeur Manuel Sierra de l’Université Polytechnique de Télécommunication de Madrid et à Monsieur le Professeur Paul-Alain Rolland de l’IEMN pour l’intérêt qu’ils ont portés à mes travaux en acceptant de les rapporter. Je tiens également à remercier Monsieur le Professeur George Alquié de l’Université Paris VI pour l’honneur et le plaisir qu’il m’a fait en acceptant de présider ce jury. Mes remerciements vont également à Monsieur Jean-Christophe Cosin, Maître de Conférence à l’ENST, Monsieur Michel Ney, Professeur à L’ENST Bretagne qui ont bien voulus examiner ce mémoire et participer au jury. Je tiens également à exprimer toute ma gratitude à toutes les personnes du Départe- ment Communications et plus particulièrement à Mlle Sara Abou-Chakra, à Mr G. Neveux et à Mr O. Gibrat, Thésards du groupe hyperfréquence ainsi qu’aux autres permanents, thésards, stagiaires du groupe hyperfréquence. Une mention toute particulière pour Monsieur Dewi Kérnéves qui restera parmi nous pour toujours. 2 CHAPITRE 3 CHAPITRE 0 CHAPITRE 0 C D’ R ’A C ONCEPTION UN ADAR D IDE À LA ONDUITE CHAPITRE 0 A U S D UTOMOBILE TILISANT UN YSTEME ISCRIMINATEUR F S - DE RÉQUENCE TYPE IX PORT Aujourd’hui, nous assistons à une révolution dans les applications électroniques pour l’automobile. La recherche en matière de sécurité automobile liée à un système de détec- tion radar anticollision ou d’aide à la conduite automobile est en plein développement. Les missions à remplir par le système Radar sont essentiellement la mesure de la distance et de la vitesse d’approche d’un obstacle afin de pouvoir informer le conducteur du risque de collision ou de gérer éventuellement les dispositifs de freinage ou de sécurité type “air- bag”. Nous pouvons obtenir ces mesures de distances et de vitesses relatives des automobiles, par la différence de fréquence et de phase entre les ondes émises par un radar et les ondes reçues après la réflexion sur les obstacles. Cette différence de fréquence entre les deux signaux, est appelée l’effet Doppler. Pour compléter la localisation des obstacles, il est convenable de déterminer la direction suivant laquelle l’obstacle se déplace. Par conséquent, nous pouvons compléter le système radar par une étude de détection de directions d’arrivée de plusieurs cibles. Pour cela, ils existe plusieurs méthodes que nous décrirons en détail ultérieurement. Il existe différents systèmes radars, comme les radars impulsionnels, les radars FM-CW et les radars duplex. Le système à impulsions est peu adapté pour les applications automobiles, parce que la distance la plus courte qu’on peut mesurer est déterminée par la durée de l’impulsion, qui serait alors très petite dans un environnement routier. En Europe, une fréquence allouée à ce service d’aide à la conduite automobile est située vers 77GHz. La technique Radar la plus couramment utilisée semble être celle du Radar Doppler FM-CW[5], grâce à sa simplicité et la possibilité de mesurer simultanément la vit- esse et la distance, mais son fonctionnement est soumis à certaines contraintes (la bande 4 de fréquence, la linéarité de la rampe de fréquence,...). Le système Duplex consiste en l’émission de deux signaux hyperfréquences continus avec un faible écart fréquentiel. Par mélange des signaux reçus et émis on trouve deux signaux Doppler de même fréquence mais avec une différence de phase. Cette différence nous per- met de déterminer la distance. Le problème de cette méthode se présente quand les fréquences Doppler sont très petites, voire nulle car alors aucune mesure de phase est possible . Le manuscrit de thèse est composé de quatres chapitres, nous détaillerons le principe des radars d’aide à la conduite dans le chapitre 1. Nous présenterons aussi, le radar adopté pour notre expérience avec l’aide du circuit ’’six-port’’. Nous présenterons une simulation réalisée par ’’matlab’’ de notre système radar ainsi que les programmes écrits sous ’’Mat- lab’’ qui permettent d’obtenir la vitesse et la distance de la cible à détecter. Nous réaliser- ons aussi une étude de l’influence du rapport signal sur bruit (RSB) , ainsi que l’influence d’une erreur de phase de l’oscillateur local. Dans le chapitre 2, nous présenterons les circuits ’’six-port’’ et ’’five-port’’, que nous avons utilisés dans notre application radar. Nous verrons en détail les différentes parties constitu- ant les circuits ’’five-port’’ et ’’six-port’’. Nous expliquerons la méthode de calibrage pour les systèmes ’’six-port’’ et ’’five port’’ et nous conclurons avec le choix du dispositif le plus apte pour notre application. Dans le chapitre 3, en premier lieu, nous verrons la simulation du dispositif radar, à l’aide des appareils de laboratoire, nous permettant la réalisation des mesures de distance et de fréquence Doppler. Ultérieurement, nous pourons voir la mise en oeuvre du système radar, en détectant la distance et la vitesse d’une cible. Nous caractérisons notre système radar par la mesure d’un train électrique alimenté par piles et par la suite d’un chariot avec un moteur en courant continu. Nous décrirons aussi l’étude et la réalisation d’un réseau d’antennes patch qui nous servira pour la détection de la direction d’arrivée des plusieurs cibles. Dans le chapitre 4, nous retrouvons l’étude de la détection de la direction d’arrivée. En pre- mier lieu, nous verrons une comparaison des différents algorithmes de détection de direc- tions d’arrivée. Nous réaliserons la simulation de notre système et nous étudierons la précision des différentes méthodes par une simulation sous matlab. Par la suite, nous fer- ons la réalisation pratique du système à l’aide d’un réseau de circuits ’’five-port’’ et du réseau d’antennes présenté dans le chapitre 3 et nous réaliserons les mesures d’une et de CHAPITRE 5 plusieurs sources. Pour finir, nous réaliserons une étude de l’influence du bruit sur le système de détection de direction d’arrivée. Enfin, nous donnerons les conclusions de cette étude et les travaux futurs à effectuer. 6 3 C H A P1I T R E D ’ S R U ÉVELOPPEMENT D UN YSTÈME ADAR TILISANT DES CHAPITRE 1 R S ÉFLECTOMÈTRES IXPORT Le RADAR ( RAdio Detection And Ranging ) est basé sur la propagation des ondes électro- magnétiques ou plus exactement sur celle des ondes radio-fréquence (RF). En 1911 l’Américain Hugo Gernsback énonça le principe du Radar et en 1934, le français, Pierre David, mènera avec succès les premières expériences de détection de présence d’avions. La première détection et localisation (detection and ranging) d’obstacle, fut effectuée en 1935 par Maurice Ponte et Henri Gutton, lors d’essais à bord d’un bateau, ils détectèrent des icebergs avec des ondes de 16cm de longueur d’onde (λ) . A partir de là, les radars prennent de l’importance au niveau militaire, pour la détection des ennemis aussi bien de jour comme de nuit, comme au niveau civil, pour la prévention sur les moyens de transport ( avion, voiture, train...). De nos jours, la recherche en matière de sécurité automobile, avec par exemple des systèmes Radar anticollision, est en pleine expansion et nous nous sommes intéressés aux applications routières, pour la prévention de collision. Des recherches scientifiques considérables sont développées, visant à assurer la sécurité maximale à l’intérieur des véhicules, en coopération avec les mesures prises par les agences gouvernementales, pour réduire le nombre d’accidents de la route. Une grande partie de ces recherches est soutenue par des initiatives européennes telles que les projets DRIVE et PROMETHEUS. Ces efforts potentiels ont permis le développement de plusieurs systèmes de sécurité avancés. Selon leur fonctionnement, nous distinguons deux grandes classes de systèmes: -Systèmes passifs ( actifs en cas d’accident ). Nous citerons par exemple: a.) Les coussins de protection gonflable ou airbag. Ce système comporte un CHAPITRE 1 4 générateur de gaz (Acide de sodium NaN3). Activé par une collision sévère, un détecteur électrique excite le générateur de gaz et entraîne une réaction chimique explosive entre l’oxyde nitrique et l’amide de sodium, si bien que l’airbag se gonfle. D’autres techniques , en cours de développement, permettront le contrôle de l’airbag pour un meilleur fonctionnement, et de meilleures précision et efficacité. b.) La Ceinture de sécurité qui a progressé remarquablement, la nouvelle génération automatique introduit une petite charge qui se déclenche au moment de la colli- sion entraînant la tension de la ceinture autour du corps. Le déclenchement simultanné de ce système avec l’airbag permet d’améliorer considérablement les conditions de sécurité dans le véhicule. -Systèmes actifs alertant le conducteur en cas de danger imminent: Les efforts des unités de recherche se sont consacrés vers la réalisation de systèmes de prévention des accidents. Cette tendance couplée avec, d’une part, les progrès tech- nologiques dans le domaine de la détection et d’autre part, l’augmentation de la circulation, ont attiré l’attention des constructeurs d’automobiles vers l’utilisation des radars mil- limétriques. Mais, les systèmes radar ne sont pas récents, plusieurs entreprises et labora- toires ont mené des études avec différents types de radar, mais leur dissémination au niveau du public a été très rare. Il existe différents dispositifs radar que nous pouvons organiser en trois groupes: 1.- Le système anti-collision (SAC): son usage sera la détection d’obstacles et il sera relié reliés à un dispositif d’avertissement du véhicule. 2.- Le système de préavis des obstacles (SPO) : son but est d’avertir le conducteur sur les dangers critiques. Cette approche consiste à générer une image radar de la scène observée, pour pouvoir accomplir une manoeuvre coopérative. 3.- Le système autonome de contrôle intelligent de la manoeuvre (SACIM): c’est un con- trôle automatique du véhicule, qui permettra par exemple, de contrôler et de maintenir la distance minimale entre deux véhicules. En résumé, les missions à remplir par le système Radar seront essentiellement la mesure de la distance et de la vitesse d’approche de l’obstacle, afin de pouvoir informer le conduc- teur du risque de collision ou de gérer éventuellement les dispositifs de freinage ou de sécurité type ’’ airbag’’, ainsi que donner la direction d’arrivée (DDA) suivant laquelle Les Différents Types de Systèmes Radar anticollision et limites de la solution choisie. 5 s’approchent les obstacles et le nombre objets qui entourent le véhicule. En Europe, la fréquence allouée à ce service d’aide à la conduite automobile est située vers 77GHz. Comme nous le verrons il existe plusieurs techniques Radar pour ce type d’applications, comme par exemple le Radar Doppler FM-CW ou Radar Duplex que nous verrons ultérieurement. Dans ce chapitre nous verrons les différents systèmes Radar anticollision, après nous présenterons le système radar Duplex, basé sur l’utilisation d’un réflectomètre ’’six-port ou five-port’’ en tant que discriminateur de fréquence et nous conclurons avec les mesures réalisées au sein de notre laboratoire. Le système réalisé a été mis au point aux fréquences de 2GHz et 26GHz en espérant pou- voir le réaliser à la fréquence de 77GHz avec des multiplicateurs de fréquence, pour pou- voir utiliser la fréquence dédiée à cette application. Nous avons travaillé aussi sur l’intégration possible du système sur une technologie en Arséniure de Gallium (AsGa) de la fonderie OMMIC[1]. Le choix de la fréquence intermédiaire de 26GHz a été basé sur la facilité de la réalisation du circuit avec la technologie MMIC, grâce à l’éxistence des com- posants dans la librairie OMMIC utilisée. Les autres raisons sont que la fréquence dédiée aux radars anticollision aux Etats Unis est de 26GHz et enfin la disponibilité du matériel dans notre laboratoire facilite les mesures à 26GHz. 1 Les Différents Types de Systèmes Radar anticollision et limites de la solution choisie. Nous allons détailler les différents systèmes radar, que nous classerons en deux groupes: Les radars à impulsion et les radars à onde continue (FMCW , Duplex). 1.1 Radar Impulsionnel Le radar est un ensemble comportant un émetteur, une antenne, un récepteur et un système d’exploitation. Il utilise la propriété des ondes électromagnétiques de se réfléchir sur tout obstacle, créant ainsi une onde de retour susceptible d’être décelée par un récep- teur adapté à ce signal. Ce principe peut facilement être mis en evidence lorsque le signal émis est une suite d’impulsions électromagnétiques. Chaque impulsion de durée très brève τ de l’ordre de quelque microsecondes se propage dans l’atmosphère à la vitesse de la lumière: