Soutenance mémoire
Intérêt général et analyse des accidents
Les pneumatiques sont le seul lien physique entre le véhicule et la route, leur impact sur la sécurité est capital. Leur coefficient d’adhérence est directement lié à leur gonflage. Le profil d’un pneumatique est conçu pour offrir le coefficient d’adhérence maximum, à une pression précise. Tout gonflage inadapté conduit à une diminution de l’adhérence et peut entraîner une surconsommation de carburant, usage prématuré des pneumatiques, voire être à la source de risques d’éclatement. En outre, la configuration du châssis desvéhicules actuels, conçu pour offrir une tenue de route optimale, tend à masquer les effets d’un problème de gonflage. Pour le conducteur, le comportement de la voiture semble rester en situation normale jusqu’à ce qu’il se trouve confronté à une situation d’urgence ou plus radicalement à un incident. Il est donc important d’informer le conducteur de toute anomalie par l’affichage d’un message sur le tableau de bord. C’est la vocation du système de surveillance de la pression des pneumatiques. Le bureau fédéral de la statistique en Allemagne a analysé les causes techniques des accidents routiers. La figure.1.1 montre les résultats statistiques obtenus en 2001 [2] [3]. La figure.1.1 montre le pourcentage d’accidents causé par des défauts techniques en 2001. Il est évident que les défauts des pneumatiques ont un rôle important dans les accidents mortels, avec environ 30% des accidents causés par des défauts techniques au niveau du pneumatique (et 20% pour le système de freinage). Afin de détailler les problèmes techniques des pneumatiques, l’analyse illustrée dans la figure.1.2 montre les défaillances techniques observées [4]. Les facteurs de risque dépendent fortement de l’état des pneumatiques (plus de 35% des causes liées à la pression, au vieillissement). La détection des anomalies dans les pneumatiques peut améliorer la sécurité du véhicule et aide le conducteur à maintenir les pneumatiques de son véhicule en bon état. Le système de surveillance de pression des pneumatiques aide aussi à réduire les émissions de CO2. La figure.1.3 représente la quantité de CO2 émise par la voiture en fonction de nombre de vérifications de la pression des pneumatiques effectuées par an [5].
Le système d’accès main libre PASE
Le système PASE est un système électronique permettant d’accéder au véhicule et de le démarrer ensuite sans aucune autre action que celle consistant à tirer sur la poignée d’ouverture de la porte et d’appuyer sur un bouton « start » pour démarrer le moteur [9] [10]. La reconnaissance du propriétaire du véhicule repose sur une communication sans fil bidirectionnelle entre un badge et l’unité de contrôle de la voiture. La stratégie de communication entre le module et le badge débute par l’émission d’un signal d’activation à basse fréquence à 125 kHz par le module. Puis à la réception de ce signal, le transpondeur répond en RF par la transmission d’un code d’identification unique. La portée LF n’excède pas les 3 mètres, de manière à éviter l’intrusion d’une personne tierce lorsque le propriétaire sort ou s’éloigne du véhicule. La réception du code émis par le badge via le canal radiofréquence déclenche, après vérification, les commandes d’équipements du véhicule telles que prévues par la programmation du module. Des antennes LF, situées dans les portes et le coffre assurent la communication montante à 125 kHz lorsque le badge porté par l’utilisateur est localisé à l’extérieur du véhicule. Une fois l’authentification effectuée, un signal électrique transmis à un capteur au niveau de la poignée déverrouille alors la portière. Pour le lien LF, la voiture est équipée de plusieurs antennes LF : au niveau des portes, du coffre de voiture et à l’intérieur du véhicule. Les antennes intérieures vérifient la présence du badge dans le véhicule puis le calculateur de bord gère ces communications et donne les ordres d’ouverture, de fermeture de démarrage etc… A l’arrêt du véhicule, le récepteur passe en mode d’économie d’énergie (activation non continue) : il faut précéder l’émission de données RF par une trame d’activation ou de réveil. La séquence « RF Wake-up » d’environ 112 ms est envoyée une seule fois avant de transmettre les trames RF. Cette séquence de réveil doit être dimensionnée de façon à ce que le récepteur soit prêt pour recevoir les trames de données.
Canal de propagation radio du système d’accès
Dans les systèmes d’accès automobile (RKE, PASE et WAC), le canal de propagation radiofréquence est affecté par plusieurs éléments de l’environnement : atténuation en espace libre, phénomène de multi-trajets, effet du corps humain, carrosserie de la voiture,… La propagation par trajets multiples et la complexité de l’environnement de la voiture entraînent la déformation du signal reçu en phase et en amplitude, conduisant parfois à l’apparition des évanouissements du signal autour du véhicule. Dans l’exemple présenté dans la figure.1.20, nous pouvons observer l’existence de quelques évanouissements profonds. Ces derniers correspondent à des interférences destructives des signaux au niveau du récepteur, et non pas à un affaiblissement du signal en fonction de la distance. Il n’est pas possible de recevoir une puissance inférieure au seuil de sensibilité au niveau du récepteur. En outre, la communication entre le badge et le récepteur peut être facilement interrompue pour certaines positions autour du véhicule. Pour le bon fonctionnement des systèmes s’accès sans fil, il est nécessaire de connaitre le canal de propagation radiofréquence. Pour cela, il est nécessaire d’établir un bilan de liaison avec des outils d’analyse théorique et des mesures expérimentales pour appréhender les mécanismes conduisant à la perte du signal le badge et le récepteur, et proposer ainsi des solutions efficaces d’amélioration du taux de réception des données.
Influence d’un plan réflecteur en champ proche
Une fois la jante et le pneumatique intégrés au module du capteur, l’influence du sol est estimée expérimentalement en tenant compte de l’influence de ce dernier par la mise en œuvre d’un plan réflecteur en aluminium (voir la figure.2.12). La distribution de puissance avec le réflecteur a donnée naissance à une source distribuée rayonnante, avec l’apparition de quatre principales zones de haute émission RF autour de la roue (clairement identifiées u niveau de la figure.2.13). La puissance mesurée en champ proche varie entre -67 dBm et -46 dBm (dynamique de 21 dB). Nous pouvons observer qu’avec les réflexions produites par l’effet de sol, la source est répartie en quatre principales « sous sources » (zone 1, zone 2, zone 3 et zone 4) [1], dont la puissance d’émission est importante (variation entre -54 dBm et -46 dBm). La présence du sol diminue la puissance maximale de 6 dB et augmente la puissance minimale de 8 dB. Le contexte précédent (pneumatique + jante) modélisé sous EMPIRE est excité à 433.92 Mhz en présence d’un plan réflecteur métallique. Les résultats théoriques montrent des allures comparables avec celles obtenues expérimentalement (quatre principales zones sont identifiées mais à des positions légèrement différentes en raison des écarts entre le modèle simulé et la structure mesuré). La puissance simulée en présence du sol varie entre -78 dBm et -46 dBm. En conséquence et comme montré expérimentalement, le sol diminue la puissance maximale de 6 dB (idem en mesure) et augmente la puissance minimale de 2 dB (8 dB en mesure). Des simulations pour différentes positions relatives du capteur par rapport au sol montrent la répartition systématique de sources autour de la jante. Ce résultat est de première importante puisqu’il indique bien par la mesure et par la simulation, la nature distribuée de la source rayonnante, contrairement à toutes les hypothèses de travail qui avaient cours auparavant, basées sur un aspect localisé de la source. Nous avons présenté dans cette première partie, une étude expérimentale et théorique en champ proche. Il est intéressant de conduire une analyse similaire en champ lointain afin d’obtenir des informations complémentaire sur le profil de rayonnement qualitatif de la source.
Influence du pneumatique
En effectuant les mêmes démarches qu’avec une jante seule, nous avons caractérisé l’influence du pneumatique sur le rayonnement de la source en champ lointain. Les valeurs maximales et minimale de puissance sont respectivement égales à 66 dBµv /m et 28 dBµv/m pour la polarisation horizontale et 68 dBµV/m et 59 dBµV/m en polarisation verticale. La présence du pneumatique augmente la puissance maximale de 4 dB sur le plan horizontal et de 3 dB sur le plan vertical, par rapport aux résultats obtenus avec la jante seule [1]. Quant à la dynamique mesurée, elle est à 38 dB pour la polarisation horizontale et 50 dB pour la polarisation verticale. Pour les simulations des structures, nous avons utilisé le même modèle de pneumatique simplifié qu’en champ proche. Les valeurs de puissance maximale et la puissance minimale des valeurs relevées sur le plan horizontal sont respectivement de 62 dBµV/m et 27 dBµV/m (à comparer à 66 dBµV/m et 28 dBµV/m obtenues par caractérisation). Sur le plan vertical, nous avons obtenu 68 dBµV/m et 38 dBµV/m respectivement pour la puissance maximale et la puissance minimale (respectivement 68 dBµV/m et 18 dBµV/m en mesure). L’effet du pneu (l’augmentation de la puissance maximale et de la dynamique) a été observé par modélisation sur des travaux antérieurs [4] [5]. Comme déjà reporté dans l’étude en champ proche, la structure complexe du pneu diminue la cohérence entre les simulations et les mesures. La composition du pneu est différente pour chaque marque, pour cette raison, nous avons réalisé une étude expérimentale relative à l’influence de la marque du pneu sur le rayonnement RF (mêmes procédures suivies pour la jante dans la section précédente). Nous avons caractérisé quatre pneus différents (pneu n°1, pneu n°2, pneu n°3 et pneu n°4) de la même taille (255/40). L’effet des pneus de différents fabricants sur la répartition de puissance est alors dissemblable. Les mesures CDF à 10% varient entre 49 dBµV/m et 60 dBµV/m pour la polarisation horizontale et entre 53 dBµV/m et 62 dBµV/m pour la polarisation verticale. A partir de cette évaluation, il apparait que la marque de la jante et du pneumatique jouent un rôle important sur la forme du diagramme de rayonnement et le gain de la source émettrice pour le système TPMS : les différents éléments constituants la source apportent une contribution forte à la variation du canal de propagation radio. La confidentialité liée aux procédés de fabrication des pneumatiques ne nous autorise cependant pas à simuler de manière réaliste chaque cas évoqué précédemment : à ce titre, le tableau.2.2 ne se prête pas aisément à une analyse quantitative. Pour conclure cette partie d’étude concernant la source, nous avons illustré dans la figure.2.20 un résumé des différents résultats obtenus durant ces campagnes de caractérisation, en comparant la variation de puissance obtenue en « meilleur cas » et en « pire cas » et avec les simulations électromagnétiques sous EMPIRE. L’objectif initial de cette étude n’est pas d’empêcher l’apparition des évanouissements angulaires « black spots », mais plutôt de définir de manière expérimentale et théorique la contribution de la source pour établir le bilan de liaison général. Dans cette partie, deux campagnes de mesures pour caractériser la source sont utilisées pour caractériser :
• Il s’agit de la caractérisation en champ proche pour observer le comportement de l’unité roue composée d’une antenne monopole avec les différents éléments constituant la source TPMS (jante, pneumatique et sol). La première série de mesure et de simulation théorique sous le logiciel EMPIRE est faite avec une jante seule. Elle a permis de représenter une cartographie de la distribution de puissance autour de la jante. Les résultats obtenus montrent l’apparition de trois principales zones démontrant un bon accord entre simulations et mesures. La deuxième série effectuée avec un pneumatique, a déterminé l’influence forte de ce dernier en champ proche, et elle a prouvé la difficulté de proposer un modèle théorique de pneumatique fiable. La dernière série a démontré clairement l’impact du sol sur la forme de la source en champ proche.
• La caractérisation en champ lointain a mis en évidence l’impact de la jante et du pneumatique sur le diagramme de rayonnement en champ lointain à partir de mesures tridimensionnelles précises et de modélisations électromagnétiques. Dans un deuxième temps, une étude comparative entre les différentes marques de jante et de pneumatique a été réalisée. Cette dernière montre une différence non négligeable selon les constructeurs. Ces études ont été faites en chambre anéchoïque, et il convient maintenant de réaliser d’autres études dans un contexte réel afin d’observer le comportement du canal radio TPMS. Dans la section suivante, l’influence du canal de propagation complet sur la réception sera abordée.
Technique de caractérisation du canal radio pour le TPMS
Dans un canal de propagation TPMS, le signal reçu est perturbé par des phénomènes physiques d’origines multiples (bruits EM, environnement de propagation confiné [6] [7] [8], atténuations internes et externes, rotation de roue, recombinaison de signaux mutitrajets…). La connaissance rigoureuse du canal de propagation nous permet de choisir l’antenne RF (unité roue et récepteur), le protocole de communication et la stratégie de la diversité les plus adéquates pour le milieu de propagation radio considéré. Nous proposons dans cette partie de l’étude une approche empirique, basée sur de résultats de mesures de propagation radio. Cette démarche donne un ordre de grandeur réaliste et précis des paramètres du canal. Le système de sondage à adopter pour le TPMS, doit fournir une analyse complète et fiable du canal radio, pour ce faire notre système est censé remplir cinq principaux critères :
• Efficacité spatiale : Les mesures ponctuelles dans l’espace sont peu fiables et le profil du canal peut changer rapidement en fonction de la distance [9]. En conséquence, le système doit restituer une image la plus complète et la plus stable en tout point de la zone étudiée.
• Résolution: les évanouissements du canal sont ponctuels (faible dimension en espace et angle de rotation de roue) [1]. En conséquence, le système doit offrir une très bonne résolution spatiale du canal radio. Le système doit prendre en compte les différentes variations de l’environnement électromagnétique. Le canal TPMS est variable en temps (atténuations temporelles : passagers, cargo, …), en angle de rotation de roue et en espace. Notre système de mesure doit alors prendre en compte la variation spatio-angulaire et les atténuations temporelles.
• Encombrement: de part la taille du véhicule sous test, le système doit être facile à mettre en œuvre, et proposer un encombrement réduit.
• Fiabilité : pour assurer une analyse précise des mécanismes mis en jeu, des mesures fiables et non perturbées par l’environnement de véhicule sont indispensables.
Ce système de caractérisation doit permettre la mesure du canal de propagation en assurant les critères mentionnés ci-dessus, à la fréquence 433.92 MHz. Le sondeur doit assurer la mesure des canaux de propagations dans deux environnements différents : « Out Car » (zone de réception placée à l’extérieur de la voiture), et « In Car » (zone de réception placée à l’intérieur de véhicule). Les différents éléments constituant le système de caractérisation du canal TPMS sont :
• Système d’émission: il est composé d’une unité d’émission RF montée dans une roue, le système contient deux antennes, une antenne haute fréquence à 434 MHz et une antenne basse fréquence (LF) adaptée à 125 kHz. L’émission RF est activée par des commandes LF déclenchées par l’opérateur, la transmission d’une porteuse pure est assurée durant un délai déterminé (environ quatre minutes) afin de garantir un niveau stable du signal émis.
• Système de réception : il est composé d’une antenne monopole intégrée dans un récepteur. Ce dernier est déplacée le long d’une ligne parallèle pour huit différentes positions (espacées de λ/8) afin de construire une image spatiale complète du canal d’une longueur d’onde. Le gain moyen du récepteur utilisé est – 15 dBi (électronique + boitier physique inclus). Pour chaque position du récepteur, la signature angulaire de chaque roue est mesurée à base de l’indicateur RSSI – Received Signal Strength Indicator- qui donne une image en de la puissance reçue par l’antenne.
• Transmission des données de mesure : c’est le medium qui relie le système de réception au système d’acquisition. Comme les faisceaux électriques présentent des effets nuisibles dans la mesure (perturbation bilatérale CEM), nous avons utilisé un système non perturbant, à base de fibre optique. Les données mesurées sont alors acheminées vers le système d’acquisition sans perturber la zone de sondage. Ce procédé permet de s’affranchir des câbles coaxiaux et d’un analyseur de spectre qui pourrait perturber la mesure.
• Codeur angulaire : il est accouplé à une des roues de voiture et permet de mesurer la variation angulaire de la roue sondée et de la synchroniser avec mesure de puissance reçue.
• Treuil : il permet de tirer la voiture avec une vitesse constante durant les campagnes de sondage et assurer une rotation de roue complète avec une importante résolution angulaire d’environ 10 RSSI mesurés par degré.
• Système d’acquisition : le système contient un ordinateur équipé d’un logiciel d’acquisition développé en interne. Ce logiciel permet d’acquérir les données de puissances mesurées et de les synchroniser avec les données de l’angle de rotation.
• Poste de traitement : ce dernier est réalisé sous MATLAB, qui permet d’interpoler les différentes données de mesure et de réaliser une cartographie spatiale du canal de propagation TPMS en fonction de l’angle, de l’espace et de la puissance. Le temps nécessaire pour mesurer la puissance issue des émetteurs des quatre roues pour une seule position spatiale est d’environ 20min, (hors temps de mise en œuvre du système, la vérification et le traitement des mesures).
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Table des matières
Introduction
1. Les systèmes embarqués sans fil automobile et le canal de propagation radiofréquence
1.1. Système de surveillance de pression du pneumatique
1.1.1. Intérêt général et analyse des accidents
1.1.2. Présentation du système de surveillance directe de la pression des pneumatiques
1.2. Système d’accès sans fil
1.2.1. Système d’accès main libre PASE
1.2.2. Système d’entrée par télécommande RKE
1.3. Le canal de propagation radiofréquence
1.3.1. Les différentes zones de propagation
1.3.2. Champ proche et en champ lointain
1.3.2. Propagation par multi-trajets
1.4. Canal de propagation des systèmes embarqués sans fil
1.4.1. Canal de propagation du système TPMS
1.4.2. Canal de propagation radio du système d’accès sans fil
2. Etude du canal de transmission radio pour les systèmes de pression des pneumatiques et le système d’accès sans fil automobile
2.1. Etude de la source radio pour le système de transmission de la pression des pneumatiques
2.1.1. Analyse de la source RF en champ proche
a. La source RF et le système de caractérisation en champ proche
b. Influence de la jante en champ proche
c. Influence du pneumatique en champ proche
d. Influence d’un plan réflecteur en champ proche
2.1.2. Analyse de la source RF en champ lointain
a. Technique de caractérisation en champ lointain
b. Influence de la jante en champ lointain
c. Influence du pneumatique en champ lointain
2.2. Etude du canal de transmission radio pour le système de transmission de la pression des pneumatiques
2.2.1. Système de caractérisation radio et méthode de modélisation du système TPMS
a. Technique de caractérisation du canal radio pour le système TPMS
b. Méthode de modélisation du canal radio pour le système TPMS
2.2.2. Impact de la rotation de roue et du sol sur le canal radio TPMS
2.2.3. Caractérisation spatiale du canal radio TPMS dans un environnement réel
a. Mesure de la variation planaire
b. Mesure de la variation tridimensionnelle
2.2.4. Modélisation spatiale du canal radio TPMS
a. Simulation de la variation planaire
b. Simulation de la variation tridimensionnelle
2.2.5. Analyse des variations temporelles du canal radio TPMS
a. Influence des passagers dans l’environnement interne
b. Influence de l’environnement externe et l’orientation de la roue
2.3. Etude du canal de propagation radio pour le système d’accès sans fil
2.3.1. Influence du sol
2.3.2. Influence du corps humain sur le canal de propagation
2.3.3. Influence de la carrosserie sur la réception radio
2.3.4. Etude du canal de transmission complet
3. Etude de la qualité de communication radio pour le système de pression des pneumatiques
3.1. Outil d’analyse dynamique de la qualité de transmission du système TPMS
3.1.1. Principe de fonctionnement de l’outil
3.1.2. Interface graphique et options proposées
3.2. Impact du canal de propagation radio et des évanouissements angulaires sur la qualité de transmission en dynamique
3.2.1. Etude de la sélectivité temporelle du canal de propagation TPMS
3.2.2. Simplification du canal radio et traitement des résultats
3.2.3. Impact d’un canal modélisé sur la performance du système TPMS
3.2.4. Impact d’un canal caractérisé sur la performance du système TPMS
3.3. Impact des collisions temporelles inter et intra véhicule
3.3.1. Collision temporelle dans le système TPMS
3.3.2. Simulateur de collision du système TPMS
a. Environnement de simulation
b. Topologie et scénario d’échange
3.3.3. Evaluation de la probabilité de collision de trame
a. Influence du débit de communication
b. Influence de la taille de la trame
c. Influence du nombre des nœuds
3.3.4. Evaluation de la probabilité de collision au niveau des paquets
4. Stratégies de diversité pour l’amélioration des performances des systèmes embarqués sans fil automobile
4.1. Gain de diversité et méthode de combinaison
4.1.1. Principe et gain de la diversité
4.1.2. Techniques de commutation
a. Technique de commutation sur seuil
b. Technique de commutation sur le meilleur canal
4.2. Diversité temporelle
4.2.1. Généralité sur la diversité temporelle pour le système TPMS
a. Principe de la diversité temporelle pour le système TPMS
b. Taille temporelle de la trame
c. Nombre de trames par paquet
d. Intervalle inter-trames
4.2.2. Coefficient d’intersection
4.2.3. Performance de la diversité temporelle en dynamique
4.3. Diversité d’espace
4.3.1. Principe de diversité d’espace
4.3.2. Coefficient de corrélation pour la diversité d’espace
a. Analyse théorique du coefficient de corrélation pour la diversité d’espace
b. Etude expérimentale dans un environnement réel pour le système TPMS
4.3.3. Performance de la diversité d’espace pour le système TPMS
4.4. Diversité de polarisation
4.4.1. Principe de la diversité de polarisation
4.4.2. Evaluation de la discrimination de polarisation croisée
4.4.3. Effet du couplage sur l’efficacité de la diversité de polarisation
4.4.4. Gain effectif
4.4.5. Coefficient de corrélation pour la diversité de polarisation
4.4.6. Performance de la diversité de polarisation dans l’environnement véhicule pour les systèmes TPMS et d’accès sans fil
a. Conception d’un dispositif exploitant la diversité de polarisation
b. Couverture externe du système d’accès
c. Couverture interne du système TPMS
Conclusion
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