Un robot pour les ralentir tous! Un dispositif contre les excès de vitesse

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1 Un robot pour les ralentir tous! Un dispositif contre les excès de vitesse

2 Chapitre : Introduction 3 Chapitre : Le «RomeoBot», notre prototype. 4 Contraintes techniques inhérentes à notre prototype 4 Description fonctionnelle du robot 4 Détail des composants importants 4 L évolution du robot. 5 Chapitre 3 : La RFID : 6 Généralités. 6 Un point d histoire. 6 De multiples applications. 6 Chapitre 4 : Le Transpondeur 7 Généralités 7 Alimentation du transpondeur 8 Émission de l information Chapitre 5 : Transmission de l information par ondes électromagnétiques 3 Généralités. 3 La modulation d amplitude 4 Chapitre 6 : L effet transformateur 5 Principe physique. 5 Rapide historique 5 Généralités 5 Chapitre 7 : La démodulation 9 Principe global. 9 Supprimer la composante négative du signal. 9 Retrouver l enveloppe : le détecteur de crête. 9 «Linéariser» l enveloppe : Le comparateur. Conclusion De la modulation à la RFID. Application du projet. 3

3 Remerciements Nous tenions à remercier Mme MORENO, professeure de Physique Chimie, et M. LACOMBE, professeur de Sciences de l Ingénieur, qui pendant deux ans nous ont encadrés, accompagnés et nous ont permis de tenter ces aventures qu auront été les concours «C Génial» et les «Olympiades de Physique». Nous remercions également M. BRAHMI, professeur de Sciences Économiques et Sociales ainsi que Mme. DALL ERTA, C.P.E. (Conseillère principale d éducation) pour leur travail dans l entreprise du projet «Lycéens contre la violence routière» qui a constitué la base de notre projet en nous sensibilisant aux problématiques de la sécurité routière. Nous tenons également à remercier Mme BRUYAS et M. VERRIEST, chercheurs à l Institut Français des Sciences et Technologies des Transports et des Aménagements Routiers (IFFSTAR) et M. MUGNIER, directeur de la prévention routière de l Ain pour leurs précieux conseils tout au long du projet. Nous remercions enfin l organisme des «Olympiades de Physique» pour cette opportunité de mener à bien nos projets. Elèves au lycée de la Côtière, nous avons eu la possibilité l an dernier d inscrire nos Travaux Personnels Encadrés dans le cadre d une réflexion opportune sur le thème de la sécurité routière. Comme la vitesse est un facteur déterminant dans la gravité des accidents sur la route, nous avons décidé de créer un système capable d afficher en permanence la vitesse limite dans le véhicule voire de brider celle-ci. Pour cela, nous avons utilisé une technique en plein essor, la RFID, qui repose sur une communication par radiofréquences. Nous vous proposons un tour d horizon des principes physiques qu un tel système met en jeu : la modulation d amplitude, l induction électromagnétique, la résonnance, l effet transformateur, etc. Enzo Castillo et Ambroise Poulet--Tomasicchio

4 Chapitre : Introduction Chapitre : Introduction Le premier enjeu de nos travaux a été la sécurité routière, et plus particulièrement la vitesse. En effet, la vitesse est l un des 3 principaux facteurs de mortalité sur nos routes. Elle a une incidence multiple sur la gravité des accidents. A mesure que le conducteur accélère, son champ de vision diminue, allant de 80 jusqu à 30 à 30 km/h. De plus la distance d arrêt du véhicule augmente, en proportion de la distance parcourue durant le temps de réaction. Le plus influent cependant dans la mortalité routière est l augmentation de la violence du choc, proportionnelle au carré de la vitesse du véhicule, selon la formule de l énergie cinétique ci-dessous : Variation de l énergie délivrée durant le choc en fonction de la vitesse. E = m v² E : L énergie cinétique du véhicule. (proportionnelle à la violence du choc). m : La masse du véhicule. v : La vitesse du véhicule. Forts de ces constats, nous nous sommes interrogés sur le «pourquoi». C est ce qui nous a menés à formuler notre premier objet d étude : «comment informer le conducteur des limitations de vitesse?». En effet le conducteur commet souvent des dépassements de vitesse lorsqu il oublie les limitations de vitesse. Mais il y a aussi des conducteurs pressés, ou inconscients. Des personnes dangereuses par leur «non-information», ou même des délinquants routiers. C est pour ces personnes là que nous avons fait évoluer notre projet jusqu à énoncer la problématique suivante : «Comment réguler automatiquement la vitesse du véhicule en fonction des limitations en vigueur et en informer en permanence le conducteur?» Pour cela nous avons conçu un système capable de reconnaître les limitations de vitesse grâce à un repérage sous la route, par RFID (Radio Frequency Identification). Nous avons modélisé la voiture par un robot fonctionnant sous Arduino, et l avons muni d un module de lecture RFID. A chaque «transpondeur» présent sous la route correspond un panneau une donnée de vitesse, contenue dans un code qui lui est propre. Au passage du robot, le transpondeur lui délivre l information de limitation de vitesse. Cela permet de créer une communication entre le «Panneau» (modélisé par les transpondeurs ) et le «Véhicule» (modélisé par le robot). Nous n avions plus qu à programmer le robot, pour qu à chaque code reçu il limite sa vitesse en fonction, et affiche le panneau correspondant sur un écran dédié à l information de l utilisateur. Dans notre programme, nous avons récupéré chacun des codes des transpondeurs et les avons associés à une limitation de vitesse. Ainsi les transpondeurs modélisent bien les panneaux de limitation de vitesse, et le robot réagit en fonction de l information détectée : nous avons pu atteindre nos objectifs mais Comment ça marche? 3

5 Chapitre : Le «RoméoBot», notre prototype. Chapitre : Le «RomeoBot», notre prototype. Contraintes techniques inhérentes à notre prototype Avant de commencer sa construction, nous nous sommes interrogés sur la façon dont nous pouvions contrôler le déplacement du robot modélisant notre véhicule. Nous devions être certains qu il ne tombe pas de son support et qu il rencontre tous les transpondeurs situés sur son passage. Pour cela nous avons créé une maquette sur lequel le robot peut se déplacer entre lignes blanches modélisant une voie de circulation. A l aide de capteurs infrarouges, le robot reste sur la voie sous laquelle nous avons enfoui les transpondeurs. Pour indiquer l emplacement des transpondeurs nous avons fait des panneaux indicateurs de vitesse. Description fonctionnelle du robot Afin de décrire notre prototype de manière efficace et succincte, nous avons opté pour le modèle des chaines d information et d énergie : vous pourrez trouver ces deux diagrammes en annexe. Détail des composants importants Notre prototype se compose de deux grandes parties : le suivi de ligne, et la gestion des panneaux de signalisation. La gestion du suivi de ligne : Elle se fait autour de 4 principales parties : la base robotique sur laquelle nous avons construit notre robot ; une carte Arduino programmable qui permet la gestion des moteurs ; les capteurs de ligne blanche avant qui permettent le suivi du circuit ; les capteurs «antichute» arrière qui évitent au robot de tomber lorsqu il recule.. La base robotique Elle est composée d une structure métallique, de deux motoréducteurs à courant continu, de deux roues motrices ainsi que d une roue jockey à l avant et d une batterie 7,4 Volts. C est elle qui nous servira de base pour placer tous nos composants.. La carte Arduino Roméo. Nous utilisons pour gérer les motoréducteurs une carte Arduino Romeo v.0, commercialisée par DFRobot. L Arduino est un circuit imprimé libre de droits programmable au moyen d une interface et d un langage dédié, proche du C++. La carte Arduino la plus connue est la Uno, néanmoins nous utiliserons ici la variante Romeo spécialement dédiée à la robotique. Cette carte équipée d un contrôleur ATMega 38 sera les «jambes» de notre robot en lui permettant de suivre le circuit, et réaliser les différentes actions qui lui seront demandées par la seconde carte Arduino, elle réservée à la gestion des panneaux. 3. Les capteurs de ligne blanche avant. Ce sont des capteurs infrarouge ayant ont une longue portée (80 centimètres), et qui, orientés vers l extérieur, permettent au robot d être très réactif aux changements de trajectoire. Ils renvoient des valeurs logiques : 0 pour «noir» et pour «blanc». Ainsi, lorsque le robot détecte «du blanc» à droite, il tourne à gauche, et inversement. Lorsqu il ne détecte que «du blanc», il s arrête. Capteurs de ligne Gauche et Droite 4. Les capteurs «anti-chute» arrière. Ce sont également des capteurs infrarouges mais de portée réduite. Ils fonctionnent donc sur le même principe mais ne servent qu à éviter que le robot chute lorsqu il manœuvre. 4

6 Chapitre : Le «RoméoBot», notre prototype. La gestion des panneaux de signalisation. Elle se fait grâce à une carte Arduino Uno qui permet de centraliser les informations liées à la détection des panneaux de limitation de vitesse. Elle est constituée d un système de communication RFID (qui fera l objet de notre dossier) ; d un afficheur TFT ; le tout relié à une carte Arduino Uno.. Le système de communication RFID Sur le robot, la communication RFID est opérée par une antenne collée sur une plaque de PVC sous la base robotique et un lecteur RFID. La plaque de PVC permet d éliminer la modification de l inductance de l antenne due à la présence du métal qui l entoure. L antenne est connectée au lecteur qui démodule et décode les informations (nous expliquerons ce processus dans les sections suivantes) et les envoie à la carte Arduino grâce à sa liaison série. Nous avons brièvement envisagé de procéder à la détection des panneaux par caméra, mais la complexité de la tâche nous a orientés vers la recherche d autres solutions techniques. En effet, les panneaux constituent des formes complexes, de plusieurs couleurs et avec des symboles bien précis. De plus, les caméras sont extrêmement sensibles à la luminosité et détectent des couleurs différentes selon la lumière ambiante. Traiter l information visuelle était largement hors de nos compétences. Nous nous sommes alors orientés vers la RFID, plus robuste, simple à mettre en place et à utiliser de plus en plaçant le jeton sous le bitume, nous sommes assurés que le véhicule le détectera bien.. L afficheur TFT La technique TFT (pour «Thin Film Transistor», Transistor à Couches Minces) est une variante des technologies d affichage LCD. L afficheur que nous utilisons, commercialisé par Adafruit, permet, grâce à son écran LCD, d afficher plusieurs formes complexes : nous y «dessinerons» les panneaux détectés par le système RFID, à l aide d une série d instruction dans le programme. Après avoir téléchargé la librairie d instructions correspondant à l afficheur, nous avons pu le programmer pour obtenir le résultat cicontre. L évolution du robot. Initialement, la carte Arduino Roméo centralisait les programmes de suivi de ligne et de gestion des panneaux. Mais nous avons remarqué une difficulté du robot à traiter les deux types d informations simultanément. En effet, lorsqu il détectait un jeton, il mettait presque une seconde à reprendre le suivi de ligne ce qui occasionnait des sorties de circuit. Nous avons alors opté pour une gestion des deux programmes indépendante, à travers deux cartes au lieu d une seule. Les temps de réaction du robot en sont sensiblement réduits, et il ne déborde ainsi plus de son trajet. 5

7 Chapitre 3 : La RFID : Chapitre 3 : La RFID. Généralités. La RFID (ou Radio Frequency IDentification) est une technologie de communication à faible distance (du contact jusqu à quelques mètres). Elle permet l identification d un objet par un lecteur, à travers l échange de données par ondes radio. Composition. Cette communication est faite autour de deux composants : un transpondeur, étiquette ou tag RFID qui contient une information, et un lecteur RFID qui va l interroger. Ces deux composants peuvent prendre de multiples formes et tailles, ce qui permet un large panel d applications. Les ondes radio. Une onde électromagnétique correspond à la propagation simultanée et perpendiculaire d un champ électrique E et d un champ magnétique B d une même longueur d onde et d une même fréquence f = C. Selon cette longueur d onde (et donc la fréquence f), les types d ondes électromagnétiques varient sensiblement. Elle peut varier des rayons gamma (d une longueur d onde inférieure à 0 - m) aux ondes radio (d une longueur d onde supérieure à 0²m) en passant par la lumière visible ( = 0,5 0 6 m ) et les Micro-ondes ( = 0 m) comme le montre le schéma ci-dessous : Rayon Rayon X < Ultraviolet 0 8 Lumière Visible Infrarouge 0, Micro-ondes 0 Radio 0 mètres Les ondes radio sont donc des ondes électromagnétiques d une longueur d onde supérieure à kilomètre, et leur forme ainsi que leur fréquence permettent de transmettre une information dans l air. L information. L information du transpondeur est contenue dans une zone mémoire sous forme de données binaires. Elle est ensuite codée dans un signal qui représente la trame d information, modulée et envoyée au lecteur, qui va la démoduler, puis la décoder pour enfin restituer l information. Cela permet l identification rapide et sécurisée (faible risque d interception de l information) d un objet. Un point d histoire. La RFID est une technologie en plein essor, que nous retrouvons aujourd hui dans notre quotidien. Cependant, il s agit d un concept ancien qui a suivi l évolution de la radio et des radars, élaboré durant la nd Guerre Mondiale pour les forces britanniques. Il s agissait du système IFF (Identify : Friend or Foe) qui permettait de faire la distinction entre forces alliées et ennemies dans l espace aérien britannique. Un des pionniers de cette technologie est Harry Stockman ( ), qui par ses travaux sur la rétrodiffusion des ondes a façonné le modèle de communication RFID que nous connaissons aujourd hui. De multiples applications. Aujourd hui démocratisée, cette technologie est très présente dans la gestion des marchandises, et remplace peu à peu les codes barres, car elle permet un traitement des données plus rapide, elle a une résistance bien supérieure à l usure et contient beaucoup plus d informations. 6

8 Chapitre 3 : La RFID. Nous retrouvons la RFID dans tout notre quotidien, sous des formes très variées qui dépendent du format des transpondeurs (ce que nous détaillerons dans la section suivante). Voici un tableau non exhaustif de l usage fait de la RFID selon les gammes de fréquences utilisées : Plage de fréquence. Applications.,45 5,8 GHz Télépéages, délivrance de carburant automatiquement (station essence), usage à plusieurs mètres MHz Suivi de marchandises, badge d ouverture (résidence, voiture), utilisation multiple à longue portée 3,56 MHz = NFC (Near Field Cartes à puces sans contact (Transport, banque, abonnements quelconques), Communication) billet de transport et suivi des bagages, téléphones, antivols 35 khz Identification animale, tri des déchets, suivi de marchandises Afin de mieux comprendre comment fonctionne notre système RFID, nous avons décidé d en créer un modèle agrandi. Celui-ci permet de le modéliser fonction par fonction, étape par étape et de se familiariser avec les différents phénomènes qui conduisent à la communication telle qu utilisée sur le robot. Nous allons baser notre réflexion et nos démonstrations sur ce modèle dont les points clés seront successivement traités tout au long du dossier. Chapitre 4 : Le Transpondeur Ici, nous nous intéressons globalement à la partie émettrice de l information, à savoir toute la partie du montage représentée ci-contre. Généralités Dans cette partie, nous nous intéresserons à la partie émettrice de l information dans un circuit RFID, que l on peut désigner sous plusieurs noms : transpondeur, tag, ou «jeton» dans notre système. Les tags RFID prennent les formes les plus diverses, de la carte de crédit à l ampoule sous verre. Mais de manière générale, un transpondeur se décompose toujours comme suit : De gauche à droite : un transpondeur sous la ligne dans notre système, la vue interne d un transpondeur puis un schéma le décrivant. Plusieurs paramètres varient selon les transpondeurs. Les principaux sont : - La fréquence d émission. - La distance d émission, aussi dépendante de la fréquence et de l antenne utilisées. - Le type de mémoire utilisée : de nombreux tags fonctionnent grâce au système EEPROM ou EPROM (pour «ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory»), qui permet d effacer puis de réécrire les informations du transpondeur plus de fois. - La manière d alimenter le transpondeur, liée à la fréquence utilisée. 7

9 Chapitre 4 : Le transpondeur. Alimentation du transpondeur Nous l avons vu précédemment, les transpondeurs émettent sur des gammes de fréquences variées, toujours dans le spectre des ondes radio. La façon d alimenter le transpondeur dépend intimement de ses fréquences : pour s en convaincre, il suffit d observer le tableau ci-dessous. Classification dans les fréquences Fréquence utilisée Type d alimentation LF 5 khz Couplage inductif (tag passif) HF 3,89 MHz Couplage inductif (passif) UHF 868 (Europe) et 95 MHz (USA) Couplage inductif (passif) ou batterie embarquée (actif) UHF,4 GHz Batterie embarquée (actif) SHF 5,8 et 5,9 GHz Batterie embarquée (actif) On voit donc bien que plus la fréquence sur laquelle opère le transpondeur est grande, plus celui-ci aura tendance à transporter une batterie et donc à devenir actif. En effet, plus la fréquence de l onde à émettre est élevée, plus on aura besoin d énergie pour le faire. Son coût s en ressentira alors, car produire des batteries ultrafines est relativement coûteux. Induction électromagnétique Comment échanger de l énergie grâce à des ondes électromagnétiques? Pour le savoir, nous avons fait une expérience très simple, qui consiste à placer deux bobines de cuivre l une à côté de l autre. Nous soumettons la première bobine à une tension constante sinusoïdale d environ 300 Hz et enregistrons la réponse de l autre bobine, comme sur la photographie ci-dessous. Vous trouverez les résultats de cette expérience dans le graphique cidessous. 8

10 Chapitre 4 : Le transpondeur tension aux bornes de la bobine B en fonction de la distance A-B Tension en mv Distance Bobine /Bobine en cm On observe que la tension aux bornes de la bobine réceptrice du champ magnétique décroit en fonction de la distance qui les sépare. Plus la bobine B est distante de la bobine A, moins la tension à ses bornes est importante. Ce phénomène se nomme l induction électromagnétique : lorsque la bobine émettrice est alimentée, elle crée une onde électromagnétique et donc un champ magnétique que la deuxième bobine peut récupérer et transformer à nouveau en tension. Celui-ci est proportionnel aux nombres de spires dans la bobine et au courant de départ. L induction électromagnétique entre deux bobines (L : inductance, N : nombre de spires, I : courant, U : tension. Seule la bobine est alimentée. En effet, le flux magnétique généré par une bobine (noté ϕ) est proportionnel au courant, suivant la formule suivante : N L I - Le nombre de spires N de la bobine : désigne le nombre de tours de fils que la bobine possède. Nous utiliserons dans notre modèle deux bobines de nombre de spires N = N = 95 tours. - L inductance L propre à la bobine, exprimée en Henry : elle varie en fonction de ses caractéristiques géométriques, mais nous avons pu mesurer l inductance des nôtres, et l on trouve L = L =,6 mhenry. - Le courant électrique qui la traverse I en Ampères. - Le flux magnétique φ qu elle génère, exprimé en Weber (Wb). On observe que N est fixé, on ne peut pas rajouter ou enlever des tours de bobine au gré de nos envies. L est propre à la bobine. En théorie donc, le flux magnétique, pour une bobine donnée, dépend du courant qui la traverse. Dans ce cas l'alimentation du transpondeur est dépendante du flux magnétique reçu, lui-même généré par l antenne du récepteur. L'objectif est alors d'optimiser le flux magnétique généré pour permettre d'alimenter le transpondeur. Notre inductomètre. 9

11 Chapitre 4 : Le transpondeur. Résonnance Mais alors, comment réaliser cette optimisation? Pour répondre à cette question, nous avons étudié le projet qu un autre groupe a effectué dans le cadre de ses Travaux Personnels Encadrés, un chargeur de téléphone à distance. Celui-ci est constitué de deux bobines de cuivre, l une reliée à travers un condensateur à un générateur, et une autre bobine réceptrice reliée à un circuit préparant le courant avant de l envoyer dans le téléphone. Ce circuit possède une diode électroluminescente qui nous servira de témoin. Lorsque l on allume le générateur et que l on approche la bobine réceptrice de la bobine émettrice, on observe que la DEL s allume : le circuit est donc alimenté, il y a donc bien eu transmission d énergie entre les deux bobines. En réalité, la première bobine crée une onde électromagnétique de même fréquence et de même forme d onde que le courant qui la traverse ; le champ magnétique de cette onde est récupéré par la seconde bobine et transformé à nouveau en courant électrique, de même fréquence et de même longueur d onde, comme sur le schéma ci-contre. Ce chargeur de téléphone nous permet de mettre en évidence un phénomène annexe néanmoins fort puissant : la fréquence de résonnance. À une fréquence d environ 3000 Hz, lorsque le courant est de 7 milliampères à la sortie du générateur, le courant dans la bobine (après les condensateurs) est de 55 ma! Ce phénomène s explique par le phénomène de résonnance, très utilisé notamment dans les communications sans fil. Typiquement, il se produit dans un circuit LC (bobine d inductance L / condensateur de capacité C) et permet d avoir un courant en sortie du circuit supérieur à celle qu il y avait en I 55 entrée! Néanmoins, ce phénomène provoquant un gain en courant ( Sortie G 7, 86 ) ne se produit qu à I 7 une fréquence précise. La pulsation de résonnance est donnée par la formule : 0 fréquence f 0 0. LC Entée, on en déduit donc la Cette relation se vérifie dans l impédance du signal traversant le circuit : l impédance d un circuit parallèle est donnée par la somme des inverses des impédances de ses composants. On a donc :. Si on Z Z Bobine Z Condensate ur pose l impédance de la bobine Z Bobine j L et du condensateur Z Condensateur, on a j C Module Z l impédance équivalente du circuit LC parallèle : 6,00E+0 j L j C j L 5,00E+0 Z. Équivalent j L L C module Z 4,00E+0 j C On a donc l impédance équivalente du circuit RLC (l impédance d un circuit série est donnée par la somme de ses impédances) : L Z Circuit R j. L C 3,00E+0,00E+0,00E+0 0,00E+00 Le schéma du circuit du chargeur de téléphone : un condensateur et une bobine en parallèle et une résistance série. LC

12 Chapitre 4 : Le transpondeur. ( L ) Si l on s intéresse au module de cette impédance, on a : Z Circuit R ( L C ). Lorsque l on ( L ) L. C s approche de la fréquence de résonnance, on a : lim Z Circuit lim R 0 ( L C ) L. C. On observe que cette fonction admet pour asymptote la droite d équation x=ω 0 car lim ( L C ) L C 0 donc, par somme et produit de fonctions de référence, L C L. C lim 0 Z Circuit. Le module de Z est représenté sur le graphique ci-contre pour R = ohm, U=0V, L=0,938 mh et C=3 mf (valeurs dans le chargeur de téléphone). Grâce à la formule U Z I, il est possible de calculer les intensités des courants dans le condensateur, la bobine, la résistance et dans le circuit complet. Les résultats se trouvent dans le graphique ci-dessous ainsi que les rapports entre les intensités : on observe que les meilleurs rapports se trouvent aux alentours de la fréquence de résonnance. 4 3,5 3,5,5 0,5 0 Les intensités I IC IL Rapport des courants IL/I IC/I IR/I Maintenant, intéressons-nous à notre propre transpondeur : peut-on lui appliquer ce phénomène de résonnance? D après sa documentation, son antenne a une inductance de 0,8 mhenry et un condensateur de 78 pf. Calculons sa 5 fréquence de résonnance : f res,49 0 Hz soit environ 5 khz, ce 3 L C 0, G I Sortie I Entrée ,5 5, Modèle du transpondeur simulé sous le logiciel Proteus qui est l exact fréquence à laquelle fonctionne notre système! Afin de déterminer son gain en courant grâce à ce système, nous avons simulé sous Proteus son fonctionnement. Voici les valeurs que nous avons trouvés : pour un courant de 67,5microAmpères en entrée, il y a un courant de plus de 346 mircroampères dans l antenne!

13 Chapitre 4 : Le transpondeur. Résumons donc : le transpondeur est alimenté par le phénomène d induction électromagnétique. Lorsqu un courant traverse l antenne du récepteur, elle crée un champ magnétique. Ce champ magnétique est récupéré par l antenne du transpondeur pour être transformé en courant à nouveau et alimenter les circuits du tag afin qu il puisse émettre son information. À une certaine fréquence, il faut prendre en compte le phénomène de résonnance qui permet d avoir un gain en courant très important : on a montré que le transpondeur est prévu pour fonctionner à la fréquence de résonnance ainsi le gain en courant dépasse 5 fois. Émission de l information Structure interne d un transpondeur. Un transpondeur, de manière générale et globale, s organise comme sur le schéma ci-contre : une interface avec la bobine permettant d envoyer/recevoir des informations ou de l énergie, des circuits de logique menant à la mémoire. Mais quels sont ces circuits? C est ce que nous allons voir sur le schéma ci-dessous, extrait de la documentation des transpondeurs utilisés dans notre projet. L horloge des données à laquelle fonctionne le récepteur doit être connue du transpondeur pour que la transmission se déroule bien. Les données sont stockées sans être codées. Le codage des informations (bloc numéro ci-dessus) Toute information, pour être communiquée, doit posséder un code. Les données sont codées suivant une horloge précise pour être comprises par le système de base : c est pourquoi le transpondeur recode à chaque émission ses données suivant l horloge indiquée par le récepteur. Les codes utilisés en RFID diffèrent selon si la liaison est montante (de la station de base vers le transpondeur) ou descendante (du transpondeur vers la station de base). La communication dans notre système étant essentiellement descendante, passons rapidement sur la liaison montante, souvent codée en NRZ (No Return to Zero). On assigne la tension + X à la valeur binaire, et - X à la valeur 0. On peut aussi évoquer le code Miller qui fait intervenir les transitions de milieu de bit. Mais intéressons-nous au code Manchester, celui utilisé dans notre système. Il fait intervenir à foison les transitions de milieu de bit : au milieu d un bit, le signal passe de - X à + X. Le codage Manchester, lui, assigne à une transition montante (de 0 vers ) à la valeur logique 0 et une transition descendante (de vers 0) à la valeur. Cela donne le schéma ci-contre. Ce type de codage permet de supprimer beaucoup de problèmes liés aux codages NRZ, Miller : perte de synchronisation, ligne coupée (à cause d une longue série de 0), etc

14 Chapitre 5 : La transmission de l'information par ondes électromagnétiques. Chapitre 5 : Transmission de l information par ondes électromagnétiques Généralités. La modulation des ondes électromagnétiques est la solution technique apportée à un problème très simple : transmettre une information dans l air sur des distances plus ou moins longues. Principe et intérêt Une fois codées, les informations dans le transpondeur passeront dans le modulateur (composant numéro sur le schéma ci-dessus). Celui-ci va les préparer à passer dans l air. Pourquoi? Notre système RFID communique par ondes électromagnétiques appartenant au domaine radio (5 khz). On peut même calculer la longueur d onde de cette onde : c., RFID, m,5 0 5 Rappelons brièvement qu une onde électromagnétique correspond à la propagation couplée et de manière perpendiculaire d un champ magnétique et d un champ électrique. Or, l air est un très mauvais conducteur magnétique, il ne canalise pas le champ. L onde représentant les informations codées possède une fréquence relativement basse, pour que le lecteur puisse décoder les données. La fréquence de l onde à transmettre est donc basse et l air mauvais conducteur magnétique : l information a alors toutes les chances de se perdre et de ne jamais arriver à destination C est là que la modulation intervient : elle consiste simplement à «dissimuler» l information à transmettre dans une onde de haute fréquence (c est l onde porteuse), qui elle aura plus d énergie et pourra passer dans l air avec moins de difficultés. Soldat dans les tranchées durant la Grande Guerre utilisant un poste à galène. Rapide historique de la modulation Le premier à avoir découvert la modulation d amplitude des ondes électromagnétiques est Heinrich Hertz qui, en 887, réalisa une expérience dans laquelle il arrive à transmettre de l énergie par ondes EM d un bout à l autre d une grande pièce. Très vite après, en 890,E. Branly, physicien français, associera le dispositif de Hertz à un autre appareil nommé «cohéreur», qui permet de détecter les étincelles produites par le dispositif de Hertz de manière plus fine que la vue ou l ouïe. Grâce à son système, Branly est capable d émettre et de recevoir une information en morse par ondes électromagnétiques à plus de 5 km! Tout le monde imagine déjà que ce sera bientôt la voix qui sera transmise à une telle distance. Pour le grand public, ce sera chose faite lors de la toute première émission radiodiffusée en 94 en Belgique. Dans les années suivantes, la radio AM à modulation d amplitude fleurira notamment grâce aux récepteurs à métaux, galène ou pyrite. Ces systèmes permirent la démocratisation et l installation de la radio dans nos vies, et restèrent de précieux alliés durant les deux guerres mondiales jusqu en 950 et l invention du transistor. Ils laissèrent peu à peu place à d autres types de récepteurs plus «propres» au niveau sonore et capables de capter la modulation de fréquence FM. Quelle modulation? Il existe plusieurs types de modulation. La plus simple est celle que nous décrirons ici, la modulation d amplitude AM : il s agit de faire varier les valeurs maximale et minimale du signal transmis. Néanmoins, d autres modulations existent, comme la fréquence FM et la phase PM. 3

15 Chapitre 5 : La transmission de l'information par ondes électromagnétiques. La modulation d amplitude On s intéresse ici à la toute première partie de notre montage expérimental, tel que représenté ci-contre. Notre expérience Afin de mieux comprendre comment fonctionne notre système RFID, nous avons décidé d en créer un modèle agrandit. En effet, notre transpondeur émet ses informations grâce à la modulation d amplitude! Dans sa mémoire, les informations sont codées sous forme de 0 et de, et ce code qui sera reçu par la carte sera associé à un panneau. La modulation utilisée pour transmettre le signal est la plus basique des modulations d amplitude, que l on nomme OOK, pour On/Off Keying : lorsque le signal modulant est à 0, aucune onde n est transmise, et lorsqu il est à, toute l onde est transmise (voir le schéma ci-contre). Pour notre expérience, nous avons créé grâce au logiciel LatisPro un signal modulant correspondant à un code à transmettre, cadencé par une horloge de 00 Hz (un bit toutes les 5 ms), la voici : Par la suite, nous avons créé grâce à un GBF une onde sinusoïdale de fréquence environ 000 Hz (que l on appellera porteuse) : Ces deux ondes passent ensuite dans un petit composant nommé «multiplieur» qui va tout simplement les multiplier entre elles. Voici le résultat : Onde porteuse Onde modulante L onde, que l on obtient à la sortie du multiplieur, possède donc bien l information et une haute fréquence : on peut la faire passer dans l air.ce que l on a modélisé ici désigne ce qui se produit dans la partie «Data modulator» du transpondeur : la multiplication d une onde de fréquence réduite possédant une information, avec une onde de haute fréquence pouvant traverser l air. 4

16 Chapitre 6 : L'effet transformateur. Chapitre 6 : L effet transformateur Nous nous intéressons ici à la transmission de l information entre les bobines. Maintenant que l information a été codée et modulée par le transpondeur, nous devons savoir : comment est-elle transmise? Nous revenons donc au principe de l induction électromagnétique portée par l effet transformateur, mais, quel est-il? Principe physique. Un transformateur électrique permet de transférer de l énergie d une bobine à une autre, tout en modifiant les valeurs de tension ou d intensité du courant et en conservant la forme et la fréquence du signal. Il exploite pour cela les propriétés du champ magnétique. Rapide historique Dès le VIème siècle avant Jésus-Christ, les phénomènes magnétiques sont connus, essentiellement au travers des propriétés des matières riches en magnétite. Si, en 8, Ørsted montre qu il est possible d influencer les aiguilles d une boussole avec la circulation d un courant électrique à proximité, Michael Faraday sera le premier à montrer le phénomène d induction électromagnétique, avec le mouvement proche d un aimant et d une bobine de cuivre. Néanmoins la véritable théorie complète des champs magnétique sera unifiée par Maxwell en 873 avec quatre relations mathématiques de forme simple : c est aussi lui qui découvrira la profonde interaction entre champs électrique et magnétique au sein des ondes Électromagnétiques. Généralités Outre le nombre de spires, le courant, l inductance et le flux magnétique que nous avons déjà rencontrés, d autres variables sont à prendre en compte en physique des champs magnétiques. - La perméabilité magnétique du matériau μ : désigne le caractère isolant ou conducteur magnétique d un matériau. Plus μ est grand, plus le matériau est conducteur magnétique (on l appelle ferromagnétique). Dans le vide, μ est petit : μ Air = 4π.0-7. On peut faire l analogie avec la conductivité dans un circuit électrique. - La force magnétomotrice, comparable à la force électromotrice dans un circuit électrique classique : F mm = N x I. - La réluctance R propre à un circuit, que l on calculera pour notre système, comparable à la résistance d un circuit électrique. Notre modèle Afin de mieux comprendre comment se transmet l information entre les deux bobines de notre système RFID, nous avons créé un modèle simplifié, composé simplement de deux bobines (théoriquement) identiques. L une des deux bobines (qui modélise l antenne du récepteur, qui va alimenter le transpondeur) est branchée sur une source de tension sinusoïdale d une fréquence f = 000 Hz. L autre n est pas reliée, aucun courant ne peut donc s y former : c est un transformateur à vide. Mais avant de procéder à tout calcul, il nous faut mesurer l inductance des bobines à la fréquence donnée, à savoir khz. Pour cela, on peut utiliser la formule : L U Eff I Eff L U Eff I Eff avec ω la pulsation du signal. 5

17 Chapitre 6 : L'effet transformateur. Nous avons donc mesuré la tension et le courant efficaces pour chacune des bobines, puis calculé l inductance. Les résultats sont donnés dans le tableau ci-dessous : Bobine N N Courant (A) 0,9 0,83 Tension (V) 8,98 8,98 Pulsation 683 Inductance 8,98 mh mh 0,9 6483,55 8,98 0, ,7 On observe que les résultats diffèrent légèrement l un de l autre, ce qui peut être dû à un défaut de réalisation des bobines. On peut donc calculer l intensité du flux magnétique émis par la bobine numéro si celle-ci 3 L I,55 0 0,9 5 est alimentée : N L I,5 0 Weber par spire. Le flux total vu par N 95 la bobine est donc de N 95,5 0 Total efficace. 5,46 mwb soit,4 mwb Or, l expression de la tension liée au flux magnétique est : V N d. Si l on considère que le dt transformateur que l on étudie est parfait, alors il n y a aucune perte : le flux transmis par la bobine est égal au flux reçu par la bobine. On a donc : V N d N et, dt d V dt N d N dt d dt On peut donc conclure que dans un transformateur parfait, V. N V On peut visualiser ce résultat grâce au logiciel de simulation Proteus : lorsque le couplage entre les deux bobines est parfait et qu elles possèdent le même nombre de spires, les tensions V et V sont quasiment égales. Néanmoins, lorsque nous avons mesuré la tension dans les bobines, nous avons trouvé des valeurs largement différentes : V = 8,98 volts et V = 3,09 volts! Il y a donc des pertes entre les deux bobines, le transformateur réel n est donc pas parfait. Nous avons tenté de mesurer ces pertes, en utilisant un Teslamètre, appareil permettant de mesurer l intensité du champ magnétique B. Dans un premier temps, nous avons fait l hypothèse que le champ magnétique était uniforme dans les bobines émettrice et réceptrice, mais au vu des valeurs mesurées de manière expérimentale, nous avons dû nous rendre à l évidence : notre hypothèse était fausse, il suffit de voir les valeurs que nous avons trouvé (en Tesla) en fonction de la distance par rapport au centre des bobines (graphe ci-contre). Afin d avoir un résultat plus exact dans la suite de nos calculs, nous avons décidé de prendre la moyenne des valeurs entre l extrémité haute, le centre et l extrémité basse de la bobine, puis nous avons déduit du champ magnétique mesuré D et du diamètre de la bobine (,4 cm) les valeurs de flux magnétique : B S B 4 avec D le diamètre =,4 cm. 6 N 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0, 0 Champ magnétique (T) en fonction de la distance entre les bobines. (mm) Haut de la bobine Milieu de la bobine Bas de la bobine Moyenne

18 Chapitre 6 : L'effet transformateur.,40e-05,0e-05,00e-05 8,00E-06 6,00E-06 4,00E-06,00E-06 0,00E+00 Flux magnétique (Wb) en fonction de la distance entre les bobines. (mm) Flux récupéré Flux de fuites Flux théorique Après avoir effectué ce calcul pour toutes les valeurs moyennes trouvées, nous avons calculé le flux magnétique initial généré par la bobine : L I N L I N 3,6 0 0,77,9 Wb 95 Pour visualiser nos résultats, nous avons construit le graphique suivant, qui montre l évolution du flux de fuites et du flux susceptible d être récupéré, à différentes distances par la bobine. On observe que la distance minimale entre les milieux des bobines étant de 40 mm, le flux de fuites sera toujours supérieur au flux récupéré. Notre système a donc beaucoup de pertes. Mais comment quantifier ces pertes? La qualité du couplage est définie par l inductance mutuelle entre les deux bobines : M L L et le M coefficient de couplage K : K où M est la mutuelle réelle et M la mutuelle parfaite entre les deux bobines. La M mutuelle parfaite est obtenue en multipliant les inductances des bobines : dans notre cas, la mutuelle parfaite serait M Parfaite L L,55 0 3,7 0 3,65 mhenry. Pour trouver la mutuelle réelle, il faut repartir de la formule de départ en ajoutant l action de la bobine sur : d di di N L I M I V N L M. dt dt dt Or, I étant nul (on n a pas laissé de courant se former dans la bobine, le transformateur est à vide), on obtient : di V V M M I M (en régime sinusoïdal) dt I On peut donc maintenant calculer la mutuelle réelle de notre système ainsi que son coefficient de couplage dans deux cas : lorsque les bobines sont adossées l une à l autre et lorsqu elles sont espacées de deux centimètres. Pour cela, nous avons branché le circuit simulé ci-contre sous le logiciel Proteus. Les résultats de nos expériences, confirmés par simulation, sont regroupés dans le tableau ci-dessous. 7

19 Chapitre 6 : L'effet transformateur. Valeurs expérimentales Pas d espace cm V (Volts) 3,09,0 I (Ampères) 0,8 0,8 Pulsation 683 Mutuelle réelle M 3,09 4,0 6,5 0 Henry 3, , ,8 4 0 Henry Mutuelle idéale Coefficient de couplage K 6,5 0, ,377, Henry 3,88 0, ,38 On observe que les valeurs de coefficients de couplage trouvées sont très inférieures à, la valeur idéale, celles-ci ont même tendance à diminuer en fonction de la distance entre les bobines. Notre système a donc des pertes très importantes, principalement car il se situe dans l air. L air est très mauvais conducteur magnétique : la réluctance du circuit sera donc très importante. La réluctance d un circuit magnétique désigne la résistance s opposant à son passage, comme sur le schéma électrique équivalent ci-contre, grâce à la formule : N I = associée à la relation : N = L I on détermine : N 95 Système 57575,8. On observe qu elle est très grande, la résistance s opposant au 3 L,65 0 passage du flux magnétique sera donc importante. Dans notre modèle, nous avons donc deux bobines couplées par air, donc le coefficient de couplage est au maximum de 0,377. Cela signifie qu au maximum, lorsque les deux bobines se touchent, seul 37% du champ magnétique émis sera récupéré. Cela est dû aux nombreuses fuites que l on observe car l air ne canalise pas le champ magnétique. On peut aussi observer un autre phénomène intéressant pour notre projet. En effet, on remarque que, dans un transformateur parfait, si on laisse se former un courant de l autre côté du transformateur, les deux intensités des courants sont proportionnelles : N I = N I (si on ignore les fuites). C est comme ça que le transpondeur et le récepteur communiquent dans notre système RFID : lorsque le courant dans le transpondeur augmente (I ), le courant dans le récepteur aussi. C est ce phénomène, nommé «Réflexion de charge», qu utilise le transpondeur et le module pour communiquer, par exemple une variation de courant ascendante dans l antenne du récepteur peut être interprétée comme un logique et une variation descendante comme un «0». Encore une fois, nous avons pu voir sous Proteus comment se passait ce phénomène de manière détaillée, à travers le montage suivant : Sonde de courant Source de Tension Émetteur Transpondeur Switch à niveaux logiques, fermant et ouvrant successivement le circuit 8

20 Chapitre 7 : La démodulation. Ce circuit permet de mettre en évidence la communication Lecteur/transpondeur. On visualise sur l oscilloscope ci-contre la tension aux bornes de la bobine L (signal jaune) et le courant dans le lecteur (signal rouge), la tension dans la bobine L (signal bleu) et le courant dans le transpondeur (signal vert). On observe que les deux tensions ont la même forme d onde, semblable à celle que l on a vue dans le chapitre sur la modulation. Néanmoins, on observe que l induction conserve globalement les courants, la formule N I = N I est vérifiée : lorsqu un courant circule dans le transpondeur, celui-ci provoque une brusque augmentation en flux magnétique et ainsi du courant dans le récepteur (le courant circulant étant directement proportionnel au flux magnétique suivant la formule N x ϕ = L x I, N et L sont fixés). Le lecteur RFID va donc réceptionner ces variations de courant et les interpréter comme des «0» ou des ce qui permet de récupérer l enveloppe d un signal en carré correspondant au code du transpondeur. Chapitre 7 : La démodulation Nous nous intéressons ici à la partie du montage chargée de retrouver le signal initial représentée par le schéma ci-contre. Principe global. A la réception du signal par la seconde bobine, nous avons une onde modulée d amplitude réduite. Il nous faut en extraire l information codée et retrouver donc le «créneau» modulant. Ce travail s effectue en deux étapes, il nous faut d abord retrouver l enveloppe du signal modulant à l aide d un détecteur de crête, puis retrouver la forme du créneau à l aide d un comparateur (Amplificateur opérationnel). Supprimer la composante négative du signal. L onde porteuse est une tension alternative, variant entre +0V et -0V. Cependant, notre onde modulante n avait pas de composante négative. Nous avons gardé uniquement la partie positive du signal à U entrée (t) ) l aide d un montage redresseur : Une simple diode, elle ne laisse passer le courant que dans un seul sens et bloque l alternance négative. Retrouver l enveloppe : le détecteur de crête. Le montage : Il se compose d un condensateur (C sur la figure ci-contre) branché en dérivation d une résistance (R sur la figure), à la suite du montage redresseur. C U(t) R U sortie (t) 9

21 Chapitre 7 : La démodulation. Détermination des valeurs et résultat. A la suite de ce montage nous retrouvons la courbe suivante : Signal Modulé Signal en sortie du détecteur de crête. Prenons le condensateur chargé à t=0 au début d une alternance positive. Entre t=0 et t, la tension à l entrée du circuit U entrée (t) croît. Le condensateur se charge et sa tension augmente jusqu à une valeur maximale. Après t, U entrée (t) diminue, et le condensateur se décharge jusqu à ce que sa tension U(t) soit égale à U entrée (t) au temps t. Après t, U entrée (t) croît à nouveau et le condensateur charge jusqu à une nouvelle valeur U(t) maximale. Cela permet de retrouver l enveloppe globale du signal modulant. Lorsque le condensateur se charge, la tension U C (t) s écrit de la sorte : U C initiale finale t ( t ) ( V V ) e V. Tout montage RC comme celui-ci possède une constante de temps notée τ, qui est calculée grâce au produit des valeurs de résistance et de condensateur. finale Dans la phase de déchargeu C Initiale t ( t) V e, donc l'instant τ correspond à une capacité restante dans le condensateur de 37 %, à 3τ il restera 5 %, etc Nous retrouvons une courbe inverse à celle de la charge. Il s agit donc de jouer sur la valeur de τ donc de la résistance et du condensateur afin que le condensateur se charge assez vite et se décharge assez peu pour que lorsque l onde est à, il épouse les crêtes de celle-ci, mais se décharge assez vite pour tomber à 0 lorsqu il n y a plus d onde. Dans notre montage, nous avons une charge très rapide car nous n avons pas placé de résistance pour la ralentir, mais seulement une résistance après le condensateur pour ralentir sa décharge. Afin de déterminer les bonnes valeurs de la résistance R et du condensateur C, nous devons utiliser la constante de temps τ = R C, et la comparer aux périodes T modulant (La période du signal modulant) et T porteuse (La période la porteuse). Pour notre signal nous avons F porteuse = 000Hz et F modulante = 00Hz, or F = T donc T porteuse = =,0ms Tmodulante = = 5,0ms

22 Chapitre 7 : La démodulation. Idéalement, nous devrions obtenir Tmodulante > > T porteuse 0, mais cela impliquerait que la période (donc la 0 fréquence également) de l onde porteuse soit cent fois supérieure à la période de l onde modulante, or ce n est ici pas le cas. Cependant pour T modulante > > T porteuse ms < < 5ms. Nous avions à notre disposition un condensateur de Farad et plusieurs résistances, allant de k à 00. Il nous fallait donc trouver la résistance la plus adaptée, s approchant le plus de 3ms. Valeur de R = R C < < 5 Oui / Non 00k = 00ms < 5 < 00 Non 4,4k = 4,4ms < 4,4 < 5 Non,k =,ms <, < 5 Oui k = ms 5 > = Non Ainsi nous utilisons dans notre montage une résistance de,k, branchée en dérivation avec un condensateur de F constituant donc notre filtre passe-bas, dont l objectif est d éliminer l onde haute fréquence porteuse et retrouver l enveloppe du signal. «Linéariser» l enveloppe : Le comparateur. Le montage. Nous avons mis en place un circuit permettant de comparer les valeurs de tension à la sortie du passe-bas : il s agit d un amplificateur opérationnel. Typiquement, un amplificateur opérationnel se compose de deux broches d alimentation + Vcc et - Vcc car son fonctionnement impose une alimentation symétrique, de deux entrées différentielles E + et E - ainsi que d une sortie S. On définit la tension différentielle ε entre les deux entrées comme ε = E + - E -. Le fonctionnement de l amplificateur est très simple : lorsque la tension différentielle est inférieure à 0, il renvoie - Vcc (dans notre système - 5V) et quand elle est supérieure, il renvoie + Vcc (+5V) sur S. C est un fonctionnement en saturation. -5V +5V R V -5V U4 D U5 Dans notre système, nous avons branché la borne + du circuit RC à l entrée positive du comparateur, puis amené une tension de + 5V que nous avons ramené à +,5 V pour réaliser une tension seuil grâce à une résistance variable. Son fonctionnement est relativement satisfaisant : lorsque la tension après le circuit RC est inférieure à,5v, on a ε < 0 donc le comparateur renvoie -5V. Lorsque la tension après le RC est supérieure à ce seuil, on a ε > 0 donc le comparateur renvoie + 5V.

23 Conclusion. Résultat. Après avoir mis une diode pour couper le signal en-dessous de 0V, nous retrouvons donc bien le créneau, et son message codé de l onde modulante. Signal Modulant Signal Démodulé. U sortie (t) A travers donc tout notre montage (que vous pouvez visualiser en annexe 3), nous retrouvons bien le signal modulant transmis par la Bobine à la Bobine après démodulation Chapitre 8 : Conclusion De la modulation à la RFID. Nous avons précédemment travaillé sur le schéma ci-contre, représentant la chronologie de la circulation de l information dans un transpondeur. Après l étude complète d un circuit de modulation / démodulation d amplitude, nous retrouvons une correspondance certaine avec notre montage. Alimentation du transpondeur via induction électromagnétique Envoi des informations par effet transformateur Le transpondeur Stockage des données sous forme de 0 et de Cette correspondance peut s illustrer par la mise en parallèle du schéma de notre transpondeur (ci-contre), et de celui de notre montage (ci-dessous). Modulation des données avec une porteuse Modulation des données avec une porteuse La chronologie est la même, et notre montage sur la modulation/démodulation d amplitude illustre de manière détaillée ce qu un petit composant comme un transpondeur est capable de faire. Notre montage Ainsi, à travers ce dossier nous avons pu expliquer par quel moyen physique notre «Roméobot» pouvait communiquer avec les panneaux de signalisation de vitesse. Envoi des informations par effet transformateur Stockage des données sous forme de 0 et de

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