RADAR DE POURSUITE ET DE MESURE A ULTRASONS

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Un système tout à fait semblable et utilisant le même principe pour la localisation de cible, avait été développé à l'ENSEIRB en 2000 mais à base de capteurs infrarouges (cf TP asservissement de position par faisceau infrarouge).La transposition à l'ultrason permet, en plus de la fonction "poursuite", de réaliser une mesure de distance. Mais la partie "logique intelligente" est pratiquement identique dans les deux approches.

I) BUT DE LA MANIPULATION

             Le but de la manipulation est de comprendre le principe de fonctionnement d’un radar. Par soucis de simplicité, celui-ci fonctionne à 40 kHz et ne peut tourner que dans le plan horizontal.

 

II)  SYNOPTIQUE DE LA MAQUETTE

 

La maquette est comporte :

-         un émetteur ultrasonore (40 kHz) simulant une cible à détecter,

-         un « radar » parabolique équipée en son foyer de deux récepteurs ultrasonore.

-         un moteur pas à pas permettant une rotation de la parabole dans le plan horizontal

-         Une électronique de traitement permettant de mesurer la distance à la cible et commander le moteur afin de pointer en direction de la cible.

 

 

Figure 1 : synoptique

 

II)  PRINCIPE DE MESURE D’ANGLE ET DE POURSUITE

 

A l’image d’une vision stéréoscopique, les deux récepteurs reçoivent, le signal émis par la cible. L’ « intersection » des lobes émission et réception  défini la quantité d’énergie reçue par chaque récepteur. Si la cible est centrée sur l’axe de la parabole, le niveau reçu par les  2 récepteurs sera identique. Sinon, un récepteur recevra plus d’énergie que l’autre. Et le radar tournera pour suivre la cible (mode poursuite). En dehors  des  2 lobes réception (cible en dehors du champ de vision du radar) le niveau reçu sur chacun sera très faible. Le radar se placera alors en  mode recherche. Pour éviter des problèmes mécaniques et électriques, la course du radar est limitée à 180° par des interrupteurs magnétiques. Il fera donc des « aller et retour » dans cette plage.

 

Les deux figures ci après illustrent ce principe.

 

Figure 2 : Cible centrée

 

 

Figure 3 : Cible non centrée

 

 En fonction de l’angle de dépointage q,  la différence théorique des signaux reçus sur chacun des récepteurs aura l’allure suivante :

 

Figure 4 : courbe en S

 

Le traitement de ce signal permet de faire tourner la parabole vers la droite ou la gauche mais il subsiste  une ambiguïté car ce signal est nul aussi bien lorsque la cible est centrée que située à +/- 90°  complètement en dehors du champ du radar.

Cette ambiguïté est levée en exploitant la somme des signaux reçus :

 

Figure 5 : somme des signaux

 

Après une mise en forme par des comparateurs, les signaux sont envoyés dans une logique de contrôle dont le fonctionnement est le suivant :

 

            1) Si Vsomme > e2 alors la cible est  dans le champ de vision du radar

Si  -e1<Vdiff <e1, arrêt moteur (cible centrée).

                                               Si Vdiff>e1, le moteur tourne à gauche

                                               Si Vdiff <-e1, le moteur tourne à droite

 

            2) Si Vsomme < e2 alors la cible est éteinte ou absente du champ de vision :

Phase de recherche =>un A/R et arrêt sur le "fin de course" gauche.

                       Nouvelle recherche relançable manuellement par bouton poussoir.

                       Si la cible est localisée alors  retour á la phase 1).

                      

3)  Si sur intensité (SI=1) dans les enroulements du moteur alors extinction de toutes les phases :

Relance possible après coupure de l'alimentation générale.

 

Le comptage des pas du moteur, permet alors de connaître la position angulaire de la cible par rapport à une référence.

 

 

III) PRINCIPE DE MESURE DE LA DISTANCE

 

Le principe adopté est celui du radio altimètre des avions… En plus beaucoup simple…

 

On effectue sur  le signal émis un balayage en dent de scie de la fréquence. Le signal émis est reçu un instant DT plus tard, proportionnel à la distance d parcourue dans l’air  par l’onde à la vitesse c (m/ s) = 331 x (Tk en K).

 

Figure 6 : principe du radioaltimètre

 

En mesurant l’écart  Df entre la fréquence reçue  et la fréquence émise, on peut en connaissant la température ambiante Tk et la vitesse de balayage (pente de la dent scie a (Hz/s)) calculer DT et donc la distance :

d (m) = (Df /a) .331 x

 

Pour limiter l’impact du saut de fréquence de fmax à fmin en fin de dent de scie et que la mesure soit correcte, il faut que DT soit faible devant Tsweep ou inhiber la mesure pendant l’instant ou elle n’est pas correcte.

 

On peut aussi réaliser un balayage triangulaire ce qui a pour effet de  modifier le diagramme comme suit :

Figure 7

 

            Cependant, dans les deux cas, il existe une ambiguïté de mesure modulo Tsweep : on aura pour le même Df  pour Dt + n.Tsweep. La levée de l ‘ambiguïté est possible en faisant plusieurs mesures successives avec des Tsweep différents. Dans notre cas, on ne traitera pas  ce problème en réduisant la gamme de mesure pour maintenir Dt <<Tsweep.  

 

 

            Contrairement aux émetteurs US classiques, les modules  ultrasoniques « prowaves 400B160 » sont large bande et autorisent un balayage de fréquence entre 40 et 50 kHz.

 

            La mesure de distance s’effectue alors suivant le principe évoqué en récupérant le battement entre les fréquences instantanées émises et reçues. Au moment de la discontinuité de la dent de scie synoptique, la mesure est erronée. Pour plus de précision, On peut inhiber la mesure pendant cet intervalle de temps. Mais si l’on suppose  qu’il est petit devant Tsweep, on peut  négliger son impact par commodité. Une conversion fréquence tension permet d’obtenir une tension proportionnelle à la distance mesurée.

 

IV) SYNOPTIQUE GENERAL

 

La réalisation conjointe de mesure de distance et de poursuite cible conduit au synoptique général suivant :

 

Figure 8

 

            Un amplificateur à CAG (contrôle automatique de gain) (ou une simple porte logique selon les envies) été intercalé entre la voie réception et la multiplieur afin que celui ci travaille avec des niveaux constants sur ses entrées. Pour une mesure correcte de la distance, celle ne sera validée que lorsque la parabole pointera sur la cible. L’ordre de validation sera donné par la logique de pilotage du moteur d’asservissement.

 

V) RAPPEL SUR LES MOTEURS PAS A PAS

 

Même si le moteur pas à pas n'est pas le meilleur moyen de piloter le radar, son utilisation se veut, avant tout, un prétexte pédagogique à sa mise en oeuvre. L’excitation est généralement réalisée par 2, 3 ou 4 enroulements. Le rotor comporte un nombre important de « dents » réalisant autant de pôles magnétiques. Ce nombre détermine le « pas » du moteur. Celui-ci peut être piloté par pas ou par demi pas en fonction de la séquence de commande appliquée aux enroulements de l’excitation..

Les caractéristiques principales des moteurs pas à pas  sont les suivantes :

 

Nombre de pas par tour : plus il est élevé, plus la précision obtenue sera grande :

ex. moteur de 200 pas/tour, à chaque pas, le moteur tournera de 360°/200=1,8°. Généralement, les moteurs pas à pas ont des pas variant de 15° (24 pas par tour) à 0,9° (400 pas par tour).

 

Tension d’alimentation : trois volts à quelques dizaines de volts. Suivant la résistance ohmique des bobinages, la consommation des moteurs pas à pas peut atteindre plusieurs ampères.

 

Couples du moteur :

 

•          couple dynamique : c’est le couple disponible sur l’arbre lorsque le moteur est en marche

•          couple de détente : c’est le couple obtenu lorsque le moteur à aimant permanent ou hybride est hors tension

•          couple de maintien : couple auquel peut résister un moteur à l’arrêt, ses enroulements correspondants restant alimentés de façon permanente.

 

Fréquence maximale de pas au démarrage : au dessus de laquelle le rotor ne peut plus entrer en rotation

 

Fréquence maximum des pas après démarrage : au delà de laquelle le rotor se bloque

Vitesse de rotation : Les moteurs pas à pas ne sont pas prévus pour tourner vite. Si la fréquence de la séquence de commande augmente, le moteur peut ne pas suivre ou "rater" des pas. Les fréquences d’utilisation classiques sont de quelques centaines de Hz au plus, soit une vitesse de rotation de 30tr/min environ.

 

III.1) commande par pas entier monophasé

 

Chaque phase est alimentée séquentiellement une par une.

 

 

Figure 10 : commande par pas entier

 

Avantages /inconvénients  du mode  pas entier :

•          précision égale au pas

•          mouvement saccadé

•          couple  « faible »

•          vitesse « élevée »

 

 

III.2) commande par demi pas

 

On alimente séquentiellement 1 phase, puis deux contiguës.

 

 

Figure 11 : commande par demi pas

 

Avantages /inconvénients  du mode demi pas :

•          commande plus précise

•         Consommation supérieure

•          mouvement moins saccadé

•          couple variable suivant la position de l’aimant sur une bobine ou entre deux enroulements,

•          risque de faire sauter des pas suivant le poids supporté par le rotor.

•          mode de commande est inadapté aux applications nécessitant une vitesse importante

 

 

Remarque :

            - le moteur utilisé est alimenté sous 5 V avec une consommation de 3 A par phase, horloge phase <100Hz

 

ANNEXE :

Liste des principaux composants utilisés :

 

 

Photo maquette

Schéma chaine analogique récepteurs

 

 

  Schéma commande moteur pas à pas   

 

 

Data sheet transducteur à ultrason