Un « radar » infaillible ?

Année 2011-2012
Un « radar » infaillible ?
Elèves participants :
MALAGUTTI Jean-Charles CADOT Arnaud BELMAHI Faïçal MICAS Emmanuel LUGARDON Vladimir
Avec : LACLAVERIE Jean-Michel, professeur encadrant
Lycée Bernard Palissy - AGEN
Académie de Bordeaux
Table des matières
Résumé
Introduction
I – Etude des « radars » de feu rouge
1.1 – Cahier des charges fonctionnel
1.2 – Théorie des détecteurs de métaux
1.3 – Présentation du montage du détecteur
1.4 – Réglages du système
II – Création d’un prototype en laboratoire
2.1 – Montage comparateur
2.2 – Interrupteur commandé
2.3 – Premier prototype : système mécanique asservi
2.4 – Second prototype : prise de décision électronique
2.5 – Contrôle des feux
2.6 – Appareil Photo Numérique (APN)
2.7 – Problèmes récurrents
2.8 – Prototype actuel
III – Brouiller le « radar » : passer outre la détection
3.1 – Expérimentations autour du brouillage
3.2 – Applications
Conclusion
Bibliographie et références internet
Annexes
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Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
Résumé :
Nous avons réalisé et étudié un modèle de détecteur de franchissement de feu
rouge, généralement appelé de manière impropre un « radar de feu rouge ». Puis, nous
avons cherché à déterminer s’il était possible de tromper notre prototype, en masquant le
passage d’une voiture. Nous y sommes parvenus en utilisant une bobine émettrice portée
par le véhicule à détecter. Nous avons fait appel à nos connaissances en électromagnétisme
sur les bobines du cours de Première et Terminale S, et nous avons travaillé uniquement par
empirisme et tâtonnements pour déterminer l’électronique de notre montage (filtre passebande, détecteur de crête, amplificateur opérationnel comparateur, contrôle électronique).
Partenaire : R. Cadot, ingénieur en systèmes électroniques à la retraite, pour ses
précieux conseils. M Cadot a travaillé sur l’électronique du nez du Concorde, le
métro de Mexico…
Introduction :
Tout a commencé avec la lecture d’un article de Olivier Hertel « Les radars
voient rouge » dans Sciences Avenir. Il nous permit de trouver un sujet intéressant,
en première intention pour les TPE (mais l’idée fut abandonnée par manque de
moyens individuels), puis par la suite pour les Olympiades de Physique (où nous
avions accès au matériel des laboratoires de physique du Lycée). Notre première
surprise fut de découvrir que le terme de « radar » habituellement utilisé n’était pas
du tout adapté. En effet, ces dispositifs s’avèrent être en réalité des détecteurs
électromagnétiques, à l’instar des détecteurs de mines. L’électromagnétisme étant
alors au programme de Première S, nous avons alors envisagé que fabriquer un
détecteur en laboratoire était peut-être à notre portée.
Cependant, nous nous sommes presque immédiatement heurtés à un
problème de taille : nos connaissances en l’électronique. Nous n’avions alors que des
notions des plus basiques enseignées au Lycée et le programme de Terminale S ne
promettaient pas d’être d’un grand secours. Alors, aidé par notre professeur de
Physique-Chimie, M. Laclaverie, nous avons décidé d’aborder uniquement par
empirisme, sans aucune équation ni support théorique : réalisation de montages de
livres d’électronique et prises de mesures. Ce fut une entreprise assez folle… Et nous
avons nous-même parfois du mal à croire que de simples tests nous ont permis d’aller
si loin : jusqu’à un prototype fonctionnel.
En effet, l’étude des tensions, en particulier sur Latispro1, et les choix des
composants par déduction et essais successifs nous ont permis d’appréhender leur
fonctionnement, suffisamment pour les utiliser, probablement pas de manière
optimale, mais déjà de manière effective.
Nous vous présenterons d’abord le principe de fonctionnement des détecteurs
électromagnétiques de franchissement de feu rouge. Puis nous expliquons les deux
parties véritablement au cœur du montage : la détection et le déclenchement de
l’appareil photo.
Enfin, nous aborderons une question qui nous a tous taraudé depuis le début
du projet. Bien gentils garçons que nous sommes, déjà conducteurs pour certains
d’entre nous, c’est totalement innocemment que nous nous sommes posé l’inévitable
question : est-il possible de tromper le radar, pour « griller les feux rouges »
impunément et de manière purement hypothétique… cela va sans dire.
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Logiciel d’acquisition utilisé par notre Lycée
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
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La réponse sera donnée dans la dernière partie de notre travail. Face à ces résultats
nous nous sommes posés quelques questions sur les éventuelles sécurités des
modèles taille réelle…
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Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
I) Les « radars » de feu rouge
1.1 – Cahier des charges fonctionnel
La première étape de la réalisation de tout projet dont l’objectif est de parvenir
à la réalisation d’un objet répondant à un besoin précis est la rédaction d’un cahier
des charges, ce qui fut fait en Mars 2011.
1.1.1 – Introduction au problème
Nous nous proposons de réaliser un modèle réduit d’un détecteur de
franchissement de feu rouge, en se basant sur les contraintes de la réalité, et en
réutilisant les même principes de fonctionnement. L’objectif de la démarche est la
réalisation d’un prototype électronique fonctionnel, sans suivre de plans pré-établis
pour l’ensemble du projet. Il sera cependant possible de suivre des schémas-type
pour les modules du circuit, mais les réglages et les mises en relation de ces modules
sera faite de manière empirique, par essais successifs, dans le but de se familiariser à
la démarche d’essais et d’erreurs (trials & errors) pour arriver à une compréhension
pratique d’un système globalement inconnu.
L’ensemble du projet devra être financé par un budget de 300€, matériels
empruntés aux laboratoires du Lycée exclus.
Le groupe de travail sera constitué, exhaustivement, de : BELMAHI Faïçal,
CADOT Arnaud, LUGARDON Vladimir, MALAGUTTI Jean-Charles, et MICAS
Emmanuel.
Le professeur encadrant, LACLAVERIE Jean-Michel, procurera un support technique
et assurera la jonction entre le Lycée (frais, emprunts de matériel, responsabilité,
utilisation des locaux…) et le groupe.
1.1.2 – Expression fonctionnelle du besoin
Notre projet devrait se plier à plusieurs contraintes, ainsi que remplir
parfaitement certaines fonctions. Le prototype devra :
- Respecter les bases du modèle taille réel. Le prototype devra donc au
minimum posséder deux bobines, un appareil photo, un flash, un feu tricolore
et une ligne au niveau dudit feu.
- Fonctionner de manière similaire au modèle taille réelle. La prise de photo ne
doit se faire qu’en cas d’infraction. L’infraction est définie par un
franchissement des roues avant du véhicule de la ligne de feu, si ce dernier est
rouge uniquement.
- Être capable de prendre deux photos du véhicule détecté. La plaque
d’immatriculation, si présente, doit être visible. Dans l’idéal, chaque photo
devrait être prise de part et d’autre de la ligne du feu de signalisation, mais une
marge d’erreur sera admise : il faut simplement que l’une des photos montre la
voiture en infraction.
- Être capable de détecter une masse métallique en mouvement, à travers une
épaisseur de bois de 1.5cm, sans aucune marge d’erreur.
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
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-
-
Etre capable de fonctionner sans aucune intervention humaine. Des
recalibrages dus aux imperfections dans le matériel utilisé (Générateurs de
fonction instables, etc.) seront cependant possibles.
Etre capable, sans aucune intervention humaine, de rapatrier les
photographies sur un ordinateur via un réseau, de les traiter pour en extraire
la plaque d’immatriculation, et de la comparer à une base de donnée fictive
pour retrouver le nom du propriétaire. Cette contrainte soulève de nombreux
problèmes techniques, et ne sera traitée que si toutes les autres contraintes
sont pleinement satisfaites.
1.1.3 – Solution proposée pour répondre au besoin
Notre prototype pourra être divisé en au moins trois modules :
- Détection
- Traitement du signal
- Prise de photo
- (Optionnel) Transmission et traitement des photos.
A l’instar du modèle taille réel (contrainte n°1), le module de détection
utilisera un détecteur de métaux, dont la conception reste à définir.
Le contenu du module de traitement du signal dépend grandement de la conception
du module de détection. Cependant, en sortie de traitement, le signal doit être
modulé de manière binaire, pour refléter les états du détecteur : présence, ou non, de
véhicule au-dessus des bobines. L’état du feu de signalisation n’est pas encore pris en
compte.
Le module de prise de photo doit être capable de décider, selon les données
qu’il reçoit, de prendre ou non des clichés. Les deux conditions sont : présence d’un
véhicule (connexion au module de traitement du signal), et feu de signalisation en
position rouge.
Le module de transmission et de traitement des photos doit être capable
d’envoyer, par le réseau, des données binaires de taille conséquentes (plusieurs
centaines de Ko2), vers un système informatisé, qui traitera les photos pour en
extraire la plaque d’immatriculation, et en déduire l’identité du propriétaire. Cette
partie soulèvera probablement d’importantes contraintes techniques.
Par ailleurs, en parallèle du détecteur de franchissement, il serait intéressant
de se pencher sur la fabrication d’un système capable d’induire le détecteur en erreur,
pour que l’infraction ne soit pas constatée.
1.2 – Théorie des détecteurs de métaux
Tout d’abord, notre première découverte fut que l’appellation populaire
« radar » est impropre, et ne reflète pas la réalité technique, puisque ces appareils
placés aux feux rouges sont en définitive des détecteurs électromagnétiques.
En effet, un radar, à l’instar des chauves-souris ou des dauphins, émet une
onde, puis récupère le signal réfléchi par un éventuel obstacle, et permet ainsi de
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Kilooctet, unité de volume de données
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
calculer la distance entre eux. Par ailleurs, si l’objet détecté est en mouvement, l’effet
Doppler, utilisé par les radars aux bords des routes, permet de connaître sa vitesse.
En revanche, un détecteur de franchissement
de feu rouge utilise deux bobines3 placées
dans la chaussée, l’une avant et l’autre après
le feu. Si une seule serait, en théorie,
nécessaire, la redondance permet d’ôter tout
doute quant au franchissement réel de la
ligne du feu rouge par une voiture.
Un détecteur de franchissement de feu rouge ressemble en réalité à un double
détecteur de métaux, chaque détection déclenchant une prise de photo.
Pour détecter les métaux, il est possible d’utiliser un champ magnétique
variant dans le temps auquel les métaux. Le champ magnétique sera alors produit par
une bobine parcourue par un courant alternatif. C’est le cas de la plupart des
détecteurs du commerce, et ce sera le cas de notre montage.
Chaque bobine est parcourue par un courant et produit un champ magnétique très
régulier. Si une importante masse métallique (une voiture, par exemple) passe audessus de la bobine, le champ magnétique change.
Un filtre passe-bande actif, utilisant en son sein les deux bobines, est centré sur
une fréquence qui varie en présence d’un métal. Il est alimenté par un générateur de
signaux fournissant la fréquence centrale du filtre sans métal. Ce montage fabrique le
champ magnétique pulsé. Tout élément métallique présent dans ce champ, modifie la
valeur de l’inductance L des bobines et donc la fréquence centrale du filtre auquel
elles appartiennent : la tension de sortie du filtre diminue ainsi lors d’une détection.
En effet, le métal a la faculté de conduire l’électricité. Le champ créé par la bobine
peut induire des courants de Foucault dans les métaux, qui à leur tour créent des
champs magnétiques induits. C’est ce phénomène qui modifie la fréquence de
l’oscillateur. On appelle courants de Foucault les courants électriques créés dans une
masse conductrice, soit par la variation au cours du temps d'un champ magnétique
extérieur traversant ce milieu, soit par un déplacement de cette masse dans un champ
magnétique constant. C’est la variation de fréquence de l’oscillateur qui est la
première étape de la détection.
Au centre d’une bobine, avec μ la perméabilité magnétique du milieu, I l’intensité
traversant la bobine, R le rayon de la bobine et N son nombre de spires, on obtient :
B𝑧 =
NμI
2𝑅
Dans l’air : 𝜇0 ≈ 4𝜋. 10 − 7 T.m.A-1
Si une masse métallique passe à proximité de la bobine, μ change don Bz aussi.
Dans notre montage expérimental, les deux bobines produisent un Bz qui est
variable. Des courants de Foucault apparaissent dans la voiture métallique en
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On parle ici de bobines électromagnétiques de Helmholtz
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
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mouvement. Une force électromotrice est induite. La voiture produit alors un champ
magnétique qui s’oppose à celui qui lui a donné naissance (loi de Lenz).
L’inductance L dans chacune de nos bobines est proportionnelle au champ Bz
au centre de la bobine. Si la voiture approche Bz change donc L change. Le générateur
de signaux fournissant alors un signal qui n’a plus la fréquence centrale du filtre, la
tension de sortie du filtre diminue.
1.3 – Présentation du montage du détecteur
Un filtre passe-bande est un filtre utilisé en électronique analogique pour isoler
une bande de fréquence d’un signal. Plus la fréquence émise est proche de la valeur
“centrale” du filtre, plus l’amplitude du signal en sortie sera importante. Ces filtres,
utilisés notamment dans des capteurs calibrés pour des enregistrements précis
(micro pour la voix humaine par exemple), permettent de supprimer le bruit
ambiant. Ils sont également utilisés dans les systèmes radio (cours de spécialité
physique en Terminale S), où la fréquence affichée se trouve être en réalité la valeur
centrale du filtre de la radio. Dans ce cas, cette fréquence centrale est variable à l’aide
d’un potentiomètre.
Dans le cas du détecteur de franchissement de feu rouge, le signal, qui n’est pas
modulé comme celui d’une radio, n’a aucun intérêt en lui-même, et n’est pas porteur
d’information. En revanche, il permet de mettre en évidence une modification dans la
valeur de la fréquence centrale du filtre, et c’est justement ce qui est utilisé dans notre
détecteur.
Nous avons trouvé dans un livre de Terminale STI (génie électronique) le schéma
d’un filtre passe-bande actif et des valeurs de composants. Nous l’avons modifié en
rajoutant une seconde bobine et en gardant les valeurs des composants données par
le livre sans les remettre en question – il nous fallut admettre que l’électronique
utilisée nous était parfaitement inconnue d’un point de vue quantitatif. Nous ne
l’avions alors jamais étudiée, et même si quelques rapides recherches nous éclairèrent
sur le fonctionnement individuel de chaque composant, nous désirions aborder ce
travail de manière purement expérimentale, en modifiant petit à petit les valeurs des
composants pour trouver leurs valeurs optimales de manière empirique.
Pour le filtre, nous avons donc fini par utiliser :
Condensateur C = 4,7 nF,
2 bobines de Helmholtz identiques
Résistance Rp = 1MΩ,
Résistance R = 22kΩ
Nous mesurons F0 = 21820 Hz
La fréquence centrale du filtre se calcule de la manière suivante:
𝐹0 =
8
1
2𝜋 𝐿𝐶
=> 𝐿 =
1
2𝜋𝐹0
2
= 11 mH
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
L est l’inductance équivalente à l’association des deux bobines de Helmholtz placée
en parallèle.
Schéma du filtre passe-bande à deux bobines
Il est suivi par un détecteur de crête :
Schéma du détecteur de crête
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
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1.4 – Les réglages du système
Nous utilisons dans ce montage un oscillateur sinusoïdal de fréquence fixe
égale à la fréquence centrale du filtre passe-bande auquel il est associé. Le signal est
simplement fourni par un générateur de signaux. Notre filtre, lorsque les bobines
sont éloignées l’une de l’autre et loin de tout métal, a une fréquence centrale de
22kHz.
Voici l’enregistrement des tensions :
- En bleu, avec une valeur maximale de 7V, la tension du générateur envoyée
en entrée du filtre avec une fréquence de 22 kHz.
- En orange, avec une valeur maximale de 8V, la tension de sortie du filtre.
Nous remarquons que son amplitude est plus importante que celle du
signal d’entrée et que ses maxima sont au-dessus des minima de la tension
d’entrée. Les deux sont en opposition de phase.
- En rouge, la tension du détecteur de crête à 7,4 V.
- En vert, la tension au niveau du module comparateur (voir 2.1)
Réglages pour l’acquisition : 2000 points sur 2ms
Nous avons réglé la tension maximale de sortie du générateur à 7V pour
obtenir une tension maximale de sortie du filtre à 8V et une tension du détecteur de
crête à 7,5V. Lors de la détection d’un métal, les diminutions de Udétecteur de crête sont
plus importantes si sa valeur sans métal (ici 7,5V) est plus importante. Choisir la
valeur de Udétecteur de crête la plus importante possible semblait intéressante. Mais la
carte d’acquisition (une Sysam SP5) sature à 10V.
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Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
De plus, nous voulions garder les mêmes réglages pour notre étude du détecteur et
celle du brouilleur de radar. Notre brouilleur tend en effet à faire augmenter la
tension Udétecteur de crête de manière très importante, aussi, nous avons donc choisi 7,5V
comme valeur nominale de la tension de sortie au détecteur de crête.
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
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II) Création d’un prototype en laboratoire
Nous nous sommes donc attelés à la création d’un prototype, modèle réduit du
détecteur de feu rouge. Le circuit électronique entier est divisible en modules, et
représenté sur le schéma suivant :
2.1 – Le montage comparateur
Le module comparateur est la pièce au cœur du circuit. En effet, le signal se
retrouve pour la première fois altéré par le passage d’une voiture au niveau du filtre
passe-bande, mais est en l’état inutilisable.
Le détecteur de crête permet de créer un courant continu artificiel, dont la tension
reflète directement l’amplitude du signal en sortie de filtre, et le comparateur en luimême permet de moduler la variation dans la tension continue en un signal binaire –
en somme, de trancher si oui ou non une voiture est passée au-dessus de la bobine. Si
détection il y a, la tension en EA3 sera positive ; dans le cas contraire, elle sera
négative.
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Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
2.2 – L’interrupteur commandé
A la sortie du module de comparaison, le signal est directement exploitable. On
pourrait imaginer brancher ce que l’on veut directement sur ce signal, mais son
intensité n’excède pas quelques mA, aussi, nous utilisons un transistor, pour
transformer le module de détection en interrupteur. Un transistor est un composant
électronique à trois entrées très utilisés pour ses propriétés de semi-conducteur. En
effet, l’une des bornes, celle de contrôle, permet de changer la résistance du
transistor entre les deux autres bornes. Lorsque la tension à la borne de contrôle est
négative, le transistor est isolant, si elle est positive, il est conducteur. Lorsqu’une
masse métallique sera au-dessus de la bobine, la tension à la borne du transistor sera
positive, et il se comportera alors comme un interrupteur fermé. A l’inverse, lorsque
le détecteur est inactif, la tension sera négative et le transistor sera un interrupteur
ouvert. Ainsi nous pouvons alimenter le reste du circuit de manière indépendante
sans risquer de griller l’électronique du filtre.
2.3 – Premier prototype : système mécanique asservi
Aux origines du projet, nous avions prévu de déclencher une prise de photo à
l’aide d’un servomoteur, dont l’alimentation serait contrôlée par le transistor cité
précédemment.
Les servomoteurs servent à actionner les parties mobiles des modèles réduits :
ailerons, volets et trains pour les avions, contrôle de direction dans le cas de
modélisme automobile... À cette fin, les moteurs sont asservis et obéissent à une
commande externe, généralement transmise par radio.
Les servomoteurs sont commandés par l'intermédiaire d'un câble électrique à
trois fils qui permettent d’alimenter le moteur et de lui transmettre des ordres de
positions sous forme d’un signal codé en largeur d'impulsion.
Cela signifie que c'est la durée des impulsions qui détermine l'angle absolu de
l'axe de sortie et donc la position du bras de commande du servomoteur. Le signal est
répété périodiquement, en général toutes les 20 ms, ce qui permet à l'électronique de
contrôle de corriger continuellement la position angulaire de l'axe de sortie.
Plaquette de connections
Ailette
Servomoteur
Demi-disque gradué
Axe de rotation
La sortie TTL4 d’un simple générateur de signaux permet de diriger
efficacement la rotation de l’axe du moteur. La tension bascule simplement entre 0 et
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Transistor-Transistor Logic : signal binaire 0-0.5V / 2.4-5V
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
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5V. On branche le servomoteur à un générateur délivrant une tension de 5V continue
et on délivre un signal avec un GBF5 de fréquence variable avec la sortie TTL. Pour
une fréquence donnée, un angle est associé. La fréquence va de 225 Hz à 609 Hz
pour des angles allant de -90° à 90°.
Pour déclencher l’appareil photo, il suffit de placer au préalable le bras du
servomoteur contre le déclencheur de l’appareil, puis de déplacer le bras de 10°, pour
que la photo soit prise. Ce système est hélas mono-coup, c'est-à-dire que la fréquence
du GBF doit être manuellement réajustée entre deux prises de photo.
Cependant, tandis que la construction du prototype avançait, nous nous
sommes rendu compte que ce système n’était ni fiable, ni pratique. Il était, entre
autre, impossible de prendre deux photos à la suite, et le montage final ne répondait
pas à notre cahier des charges originel. Finalement, nous avons dû nous pencher sur
la conception d’un autre système, plus complexe mais plus fiable.
2.4 – Second prototype : prise de décision électronique
Alors que nous recherchions des
solutions à notre problème de prise de vue,
nous avons trouvé presque par hasard sur un
forum d’électronique, où quelqu’un faisait les
louanges
des
cartes
programmables
Arduino®. Après enquête, nous nous
rendîmes compte que ces dernières
répondaient exactement à nos besoins : d’un
prix abordable, simples d’utilisation, très
répandues (et donc bien documentées !), il
fut décidé de remplacer le servomoteur par
5
Générateur Basse Fréquence
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Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
un système purement électronique. Arnaud possédant des notions de programmation
en C (langage dans lequel les cartes Arduino® sont programmées), il fut chargé
d’explorer cette voie.
Les cartes Arduino® – nous avons opté pour le modèle Uno, basique mais
suffisant –sont des cartes électroniques programmables Open-Source, inventées par
des étudiants Italien. Pourvues d’entrées/sorties numériques et analogiques, elles
sont entièrement programmables, s’alimentent par port USB (ou par transformateur
5V), et ont de plus le bon goût de fournir deux ports d’alimentation 3.3V et 5V.
Cependant, aussi simples d’utilisation qu’elles puissent être objectivement, ce fut
pour nous, novices complets dans ce domaine, tout un périple pour parvenir à un
module fonctionnel. Assez étonnement, aucun pièce électronique n’a été grillée ni
détruite dans le processus.
2.5 – Aperçu du montage électronique : le contrôle des feux
L’objectif, rappelons-le, était triple :
- Selon la couleur du feu, décider de prendre ou non les photos
- Prendre deux photos consécutives, lors du passage d’une voiture
- Ne nécessiter aucune intervention humaine entre deux passages
Si le troisième est trivial, et se joue du côté de la programmation de la carte, et si
le second dépend du montage de l’appareil photo que nous détaillerons par la suite, le
premier point s’avéra être plus ardu que nous ne l’avions prévu.
Finalement, nous avons opté pour le système suivant : un interrupteur connecté d’un
côté sur une entrée digitale (la 4), et de l’autre soit sur du +5V, soit sur la masse (0V).
L’Arduino® étant pourvue de résistances internes de 20kΩ, le montage fut possible
sans aucun rajout de résistance extérieure.
Les feux, quant à eux, sont
connectés d’un côté à la masse, et
de l’autre à deux transistors (un
pour chaque couleur), eux-mêmes
connectés à une alimentation +5V
et chacun contrôlés par un port
différent de l’Arduino® – à savoir le
port 7 pour le vert, et le 8 pour le
rouge. Ainsi, émettre un signal
depuis un de ces ports allume une
des deux lumières.
Le reste n’est plus qu’une simple condition dans la programmation de la carte :
si il y a une tension +5V à l’entrée 4, alors on considère le feu vert (ou l’inverse), on
émet sur le port 7 et on cesse d’émettre sur le port 8 : les feux changent de couleur. A
l’inverse, si l’entrée 4 à une tension nulle, on émet sur le port 8, on éteint le 7, et on
autorise les prises de photos.
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
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2.6 – L’Appareil Photo Numérique
La prise des photos en elle-même fut définitivement la partie la plus
éprouvante. De nombreux tutoriels existent sur Internet, expliquant pas à pas
comment « hacker » un appareil photo pour l’utiliser avec un Arduino® – cependant,
il s’agit toujours en fin de compte de faire de la soudure de précision sur la plaque
électronique même de l’appareil. Une petite erreur avec le fer à souder est
généralement fatale, et nous l’avons appris à nos frais lorsque le premier appareil
photo, qui avait déjà mis plusieurs semaines pour venir par la Poste, rendit l’âme lors
de l’opération à cœur ouvert. Pour notre défense, les soudures en questions ne
faisaient généralement pas plus de quelques millimètres carrés, et nous ne possédons
pas de matériel de soudure électronique de pointe… Un autre appareil fut commandé,
et il fut même envisagé d’aller demander de l’aide au Lycée Technique voisin, qui
possède à la fois le matériel et les compétences. Cela ne nous réjouissait guère : nous
avions commencé notre projet avec comme objectif de réaliser un montage sans
aucune aide extérieure, uniquement avec ce que nous pouvions faire de nos propres
mains – et voilà que quatre malheureuses soudures nous empêchaient d’avancer !
Heureusement, la chance – provoquée par une cherche complète et
méticuleuse d’une cave bien remplie – nous sourit une fois encore, puisqu’il fut
retrouvé dans un carton un vieil appareil photo numérique, en parfait état de marche,
sacrifiable et surtout volumineux. C’est avec un plaisir non dissimulé que nous
découvrîmes que les soudures à l’intérieur étaient en proportion avec la coque
extérieure, et, après une étude minutieuse du circuit à l’aide d’un ohmmètre, nous
procédâmes aux raccords. Entre les soudures ratées, les gouttes de colle extra-forte
tombées sur les interrupteurs, et autres faux-contacts, nous passâmes plusieurs fois à
quelques microns de la catastrophe, mais nous parvînmes tant bien que mal à
« hacker » cet appareil photo. Mieux encore, emportés par notre élan innovateurs (et
désespérés par la consommation monstrueuse de piles dudit APN, inversement
proportionnelle à notre budget), nous le pourvûmes d’une alimentation 3V
extérieure.
Le principe de la prise de photo électronique est étonnamment simple : le
bouton de prise de vue sur le dessus de l’appareil (d’habitude déclenché par un doigt)
est court-circuité par un transistor, dont la patte de contrôle est branchée sur une
sortie de l’Arduino®. Et c’est tout. Il faut cependant penser à relier les masses de la
carte programmable et de l’appareil photo, si l’on veut que le transistor marche.
Les photos sont par la suite récupérées de manière très classique, par câble USB.
Un autre élément un peu délicat sous-estimé à la conception fut la jonction
module détecteur/module de prise de photo. Naïvement, nous pensions qu’il suffirait
« de brancher les deux ensemble » pour que « ça marche ». Hélas, il est très rare que
la solution soit si simple, et après de nombreux tâtonnements, nous parvînmes au
schéma suivant :
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Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
Quelques explications sur ce schéma : le transistor NPN à gauche est celui à l’extrême
fin du module du détecteur. La masse n’est pas représentée sur le schéma, mais
comme nous l’avons appris à nos dépend, si la masse de l’Arduino® n’est pas reliée au
reste du circuit, le système ne fonctionnera pas.
L’alimentation 3.3V, quant à elle, est de facto procurée par la carte Arduino®.
En effet, il n’est pas nécessaire d’avoir une grande puissance, bien au contraire, et
cela nous épargne le besoin d’un générateur supplémentaire.
Le fonctionnement théorique en lui-même de ce circuit, trouvé par
tâtonnement et plus par instinct que par réflexion, nous laissa d’abord perplexe. Du
point de vue de la programmation, Arnaud affirmait que la tension chutait lorsque le
module de détection envoyait un signal, et qu’à l’inverse il notait une tension positive
au repos – cependant, la DEL s’allumait lors de la détection, et restait éteinte le reste
du temps. Cela nous paraissait totalement incohérent.
L’explication nous vient lors de plus amples recherches sur l’électronique
embarquée de l’Arduino®, au moment de réaliser les schémas de ce dossier. En
réalité, les ports de la carte contiennent des résistances variables montant jusqu’à
22kΩ, afin de pouvoir directement y brancher des DEL sans risquer un dramatique
court-circuit.
Ainsi, dans notre cas, lorsque le transistor est ouvert, la résistance totale du
circuit est de plus de 22kΩ. En revanche, quand il est fermé, le capteur est mis en
court-circuit, car le courant emprunte le chemin de moindre résistance, et celle du
transistor est quasi-nulle ! La résistance totale du circuit tombe à 200Ω, soit plus de
110 fois moins. Bien entendu, la tension relevée par l’Arduino® étant celle présente à
l’intérieur du capteur, une fois ce dernier en court-circuit, elle sera forcément nulle.
Quant au mystère de la DEL, ce fut la loi d’Ohm qui nous apporta une réponse. En
effet :
𝑈 = 𝑅𝐼 ↔ 𝐼 =
𝑈
𝑅
Formule dans laquelle U est la tension (V), I l’intensité (A) et R la résistance (A) du circuit.
Or, U est constante. Donc, si R est grand (transistor ouvert), alors I est petit donc trop
faible pour que la DEL s’allume ! A l’inverse, si R est petit (transistor fermé), alors I
est grand et la DEL peut s’allumer.
2.7 – De la nécessité d’acheter du matériel de qualité
Le module de prise de photo était enfin terminé, et nous pensions être au bout
de nos peines. Hélas, nous nous heurtâmes à d’autres difficultés imprévues,
directement liées à la nature même de notre montage.
L’appareil photo utilisé est ancien, d’un point de vue technologique (c’est-à-dire aux
environs des années 2000), et déjà pour l’époque il était particulièrement bas de
gamme. C’est d’ailleurs la raison pour laquelle nous nous sommes permit de le
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
17
démonter et de le modifier : sa valeur marchande est très faible, et ses circuits
internes sont très simples.
Malheureusement, cela signifie aussi que ses capacités sont loin d’être
grandioses, et si la résolution du capteur (0.3Mégapixels, de nous jours un téléphone
d’entrée de gamme fait mieux) ne nous gênait pas outre mesure, sa photosensibilité
ridiculement faible nous contraint à retourner aux schémas de conception pour les
modifier une fois encore.
Nous envisageâmes d’utiliser de véritables flashs d’appareils photos. Basés sur
des condensateurs et des ampoules remplies de gaz rares, celui inclus dans notre
appareil met trop de temps à recharger pour pouvoir être utilisé en rafale. Quelques
recherches furent faites pour créer un flash à double condensateur, mais les tensions
d’utilisation des petits flashs (type appareil photo jetable) nous donnèrent des sueurs
froides. Il est une chose de manipuler des courants à 5V, il en est une autre de
bricoler des condensateurs à plus de 330V ! Nous nous tournâmes alors vers d’autres
solutions, en l’occurrence, deux DEL de puissance (2*3W) que nous avons montées
sur l’appareil photo.
Hélas, ce ne fut pas suffisant. Si ces DEL procurent une intensité lumineuse
très importante, elle n’est pas directionnelle, et du coup n’éclaire que les environs de
l’appareil photo. Il faut donc utiliser une autre lampe en complément, si l’on tient à
avoir des plaques minéralogiques lisibles.
Bien entendu, dans la vie réelle, un véritable flash étant utilisé, ce problème ne se
pose pas.
Une autre difficulté, une fois encore due à la vétusté de l’appareil photo, est la
récupération des photos. Nous imaginions qu’il suffirait de brancher l’APN sur un
port USB (puisqu’il n’y a pas, bien évidemment, de carte SD sur ces modèles bas de
gamme…) pour les récupérer. Quelle erreur ! Ce fut une fois encore un parcours de
combattant pour le moins inattendu. Les drivers de l’APN ne sont pas compatibles
avec Windows 7, ni avec Vista ; sous Windows XP, il faut suivre une procédure bien
précise (passant par la récupération des drivers en ligne sur le site du fabricant !),
avec les droits d’administrateur (que nous n’avons bien entendu pas sur la plupart
des ordinateurs du lycée !), pour que finalement l’appareil soit reconnu. Et là,
surprise, il n’est possible de récupérer les photos qu’au travers d’un logiciel
particulier, installé en même temps que les drivers…
Une fois encore, l’expérience nous fit découvrir que les difficultés jaillissent
des étapes du processus que nous n’avions pas initialement envisagés comme les plus
critiques
2.8 – Prototype actuel
Finalement, nous parvinrent au montage suivant.
Sur les photographies 1, 2 et 3, le module n’est pas connecté au reste du
matériel, qui se trouvait alors sous clé dans le laboratoire du Lycée. Le transistor en
fin de module de détection est simulé par un contact entre deux fils, et les
générateurs de tension continue ont été remplacés à titre temporaires par des piles
3V. De plus, le feu en lui-même est représenté par deux DEL (rouge et verte),
directement placées sur la plaque.
La connexion avec l’appareil photo et son « flash » à DEL se fait au travers
d’un fil téléphonique, qui offre à la fois l’avantage de fils rigides pour les
branchements sur la plaque, une gaine solide pour éviter les incidents, et un très bon
rapport qualité/prix.
18
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
Photo 1
A deux mètres de là se
trouve
l’appareil
photo et son « flash »,
posés sur un trépied
temporaire :
Photo 2
Photo 3
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
19
Module de prise de photo:
Module du détecteur :
20
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
III) Brouiller le « radar » : passer outre la détection
3.1 – Expérimentations autour du brouillage
La question que nous nous posons maintenant est la suivante :
« Est-il possible de “compenser” la détection de la masse de cuivre, avec une autre
masse métallique (fer…) ou un champ magnétique créé par une autre bobine ? »
La réponse est respectivement non et oui. La présence d’une bobine
indépendamment alimentée au-dessus d’une de celle du détecteur provoque des
réactions intéressantes. Outre la masse de fils de cuivre de la bobine, si l’on envoie un
signal sinusoïdal dans ce nouveau circuit (avec une faible résistance pour éviter de
mettre le GBF en court-circuit), on observe que, selon la fréquence du signal, le filtre
ne réagit pas de la même façon. Un signal continu, quand à lui, n’a absolument aucun
effet.
Lorsque la fréquence du signal est éloignée de la fréquence centrale du filtre,
rien ne se passe. Cependant, lorsqu’on la fait évoluer vers cette fréquence centrale, on
observe des perturbations de plus en plus importantes sur l’entrée EA1, qui
correspond au signal en sortie de filtre. Il semblerait que le champ magnétique
de la nouvelle bobine induise une modification du signal : c’est à ce stade que les
expériences deviennent intéressantes.
En effet, lorsque la fréquence du signal parasite se rapproche de celle du signal
de référence, l’amplitude et la fréquence du signal en sortie de filtre augmentent de
façon très sensible. Cela fausse la tension continue obtenue après le détecteur de crête
(expérimentalement, nous avons découvert qu’elle pouvait dépasser les 12V, pour
une tension normale hors détection de 7.5V !), et donc réduit considérablement la
sensibilité du filtre. Lorsque la bobine « parasite » est en place et réglée proche de la
fréquence centrale (± 15%), la présence d’une masse de cuivre volumineuse passe tout
simplement inaperçue : le détecteur est aveuglé par le champ magnétique !
Cependant, cette possibilité de « brouiller » un détecteur de ce type de manière
efficace et assez simple pose un léger problème technique pour une utilisation dans
un cadre réel (purement théorique malgré tout !). En effet, il est impossible de
déterminer la fréquence centrale du filtre du détecteur sans connexion directe
vers une plateforme d’acquisition. Mais des mesures sur l’intensité aux bornes de la
résistance du circuit du brouilleur ont révélé une particularité assez étonnante. Nous
avons découvert que, plus la fréquence du brouilleur est proche de celle du filtre
(donc, plus le brouilleur est efficace), plus l’intensité du courant aux bornes de la
résistance diminue... pour ré-augmenter lorsque l’on s’en ré-éloigne. Il est possible
que nous ayons là un moyen de calibrer le brouilleur, sans même avoir à toucher au
filtre du détecteur. Auquel cas nous aurions un brouilleur parfaitement
fonctionnel, pour un montage utilisant un filtre passe bande.
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
21
Ainsi, avec une résistance R de 100 Ohm, nous obtenons les mesures suivantes :
Fréquence (kHz)
Tension diode (V)
(brouilleur)
(Sortie du filtre)
1,1
4,9
4
5,3
6
5,5
8
5,61
10
5,75
15,6
6,89
16
7
18
7,9
19
9,21
20
10*
21
10*
22
10*
23
10*
24
10*
25
8,67
Tension efficace résistance
Intensité efficace (A)
(V) (brouilleur)
(brouilleur)
3,36
0,0336
1,42
0,0142
1,01
0,0101
0,79
0,0079
0,62
0,0062
0,27
0,0027
0,25
0,0025
0,032
0,00032
0,028
0,00028
0,05
0,0005
0,016
0,00016
0,023
0,00023
0,032
0,00032
0,027
0,00027
0,024
0,00024
* (Capteur saturé, tension > 10V)
Graphiquement, l’efficacité du brouilleur est indéniable :
Tension de la diode (V) en fonction de la fréquence (kHz)
12
10
8
6
4
2
0
0
22
5
10
15
20
25
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
30
Et, si ces dernières valeurs ne peuvent être obtenues qu’en ayant un accès
direct au détecteur en lui-même, ce n’est pas le cas de celles de l’intensité dans le
brouilleur.
Intensité efficace (A) = f(fréquence (kHz))
0,04
0,035
0,03
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
0
5
10
15
20
25
30
Les très faibles valeurs et la précision limitée de nos appareils de mesure font
que la courbe, au lieu d’atteindre un minimum à 22kHz, s’écrase sur le 0. Cependant,
comme dit plus haut, il n’est pas nécessaire d’être exactement sur la fréquence
centrale du filtre, et ce que l’on perd en précision peut être compensé par la puissance
du champ magnétique.
Voltmètre
Générateur de
signaux
Ampèremètre
Détecteur de franchissement
Bobine de
Helmholtz du
brouilleur
Bobine de
Helmholtz du
détecteur
Schéma du montage utilisé pour ces expériences.
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
23
Photo du montage utilisé pour ces expériences.
Le brouilleur repose tout entier sur le principe d’induction.
Lorsque deux bobines sont superposées, tout courant circulant dans l’une des bobines
induira, via le champ magnétique, un courant similaire dans l’autre bobine.
Cependant, la bobine du détecteur, loin d’être passive, est elle aussi parcourue par un
courant très caractérisé. Ainsi, pour que le courant induit par la bobine du brouilleur
ne s’oppose pas à celui du filtre, il faut que leurs caractéristiques soient similaires,
d’où la similitude dans les fréquences d’utilisation. La bobine du détecteur est en
quelque sorte transformée en générateur, ce qui augmente artificiellement la tension
efficace du signal en sortie de filtre.
3.2 – Applications
Comme la photo ci-dessus peut en attester, si notre montage en laboratoire
permet bel et bien d’induire le détecteur en erreur, la taille conséquente des bobines
par rapport à l’échelle des voitures utilisées nous fit réfléchir à la création d’un
modèle plus réduit. En pratique, cela se traduit par la fabrication d’une bobine
capable de passer sous la carlingue.
Cependant, une fois encore quelques problèmes furent soulevés, heureusement
cette fois pendant la phase de conception. Tout d’abord, les bobines utilisées en
laboratoires faisaient 320 spires, pour 15cm de diamètre. Un rapide calcul nous
indique que cela correspond à plus de 150m de fil enroulé à la machine. Il fut donc
clair qu’il nous serait impossible de faire une bobine aussi longue, dans un espace
plus restreint, et à la main qui plus est. Finalement, nous réussir à compresser une
24
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
bobine de 110m de fil de cuivre émaillé ø0.20mm sur une bobine rectangulaire de
8x5.5cm, soit environ 400 spires.
Le second problème soulevé fut plus théorique : la carlingue métallique des
voitures risque d’agir comme une cage de Faraday, et d’absorber une grande partie du
champ magnétique avant même qu’il ne soit utile. Théoriquement, le dessous des
voitures de modélisme étant en plastique pour des raisons d’économie, ce
phénomène ne devrait pas être un problème ; cependant, nous préférâmes ne pas
courir le risque, et nous optâmes pour une vieille voiture téléguidée en plastique
comme support, que nous avons artificiellement lestée de boulons et autres ferrailles
là où elles ne devraient pas gêner le brouilleur.
Par ailleurs, petit bonus rajouté par un bricoleur blagueur, la voiture roule
toute seule grâce à une pile et un moteur.
Troisième et ultime problème, qu’il fut cette fois impossible de résoudre : un
GBF est un appareil lourd et volumineux. Nous aurions plus de chances de faire
rentrer la voiture dans le GBF, que l’inverse. Il est donc nécessaire de laisser trainer
deux fils à l’arrière de la voiture, afin de connecter la bobine à son alimentation. A
échelle réelle, ce problème ne devrait pas se manifester.
Finalement, notre prototype de voiture avec brouilleur finit par ressembler à ça :
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
25
Conclusion :
Notre prototype est capable donc de détecter le passage d’une voiture à un feu rouge,
et de déclencher deux photos en rafale.
Les deux photos sont cependant séparées par presque une seconde, car l’appareil
photo modifié n’a pas été conçu pour des prises rapides. Il est technologiquement
possible de mieux faire, mais utiliser un Reflex (plus de 1.000€) pour gagner
quelques millisecondes s’avérât être bien au-delà du budget alloué à notre travail de
recherche.
Notre brouilleur fonctionne. Par induction, il transforme les bobines du filtre en
générateur, et surcharge l’ensemble du détecteur. La voiture passe au feu rouge sans
se faire remarquer…
Notre objectif était de concevoir un détecteur de franchissement fonctionnel, et le
brouilleur s’inscrit en bonus, montrant les faiblesses de notre propre système.
Cependant, les détecteurs installés en France sur les feux rouges ne sont pas de
simples filtres passe-bande, et les brouiller de cette manière est non seulement
impossible, mais aussi illégal.
Bibliographie et netographie :
- Eugène Hecht, Physique, ITP De Boeck, p.847 pour l’auto-induction.
(Livre gagné lors du concours 2010-2011 des Olympiades).
L’ensemble des photos, schémas, diagrammes sont l’œuvre des auteurs de
ce dossier, à l’exception notable du dessin de couverture, issu du
Science&Avenir n° 750.
Toutes les autres ressources utilisées ont été créée pour ce dossier.
- Les détecteurs de métaux :
http://www.artid.org/Fr/documentation_deminage/detecteursmetal.html
http://www.detecteur.net/montages/montages.php
http://www.la-detection.com/detecteur.htm
- Prise de photo électronique :
http://www.instructables.com/id/Hacking-A-Keychain-DigitalCamera-for-Arduino®-Cont/Arduino®-Cont/
- Programmation de l’Arduino® :
http://www.Arduino.cc/fr/
- Logiciels utilisés :
- The Gimp (schémas)
- Dia (schémas)
- LatisPro (acquisitions)
- Suite Office (rédaction du dossier)
Remerciements à R. Cadot, ingénieur en systèmes électroniques à la retraite, pour
ses précieux conseils.
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Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
Annexes :
Le code utilisé avec l’Arduino® pour le déclenchement de la prise de vue ne fut pas
détaillé dans le dossier en lui-même, car il ne présente en définitive aucun réel
intérêt, et nuisait à la lecture. En effet, les seules difficultés qu’il présente sont d’ordre
syntaxique, relative au langage C et aux instructions spécifiques aux Arduino®. La
réalité algorithmique derrière est, en définitive, extrêmement simple, puisque
littéralement composée de trois conditions et d’une poignée de variables.
/* Par CADOT Arnaud, pour un projet des Olympiades de Physique 2011 */
//Ports utilises en sortie
const int outGrn=7;
const int outRed=8;
const int outTrig=2;
const int outFlash=11;
//Ports utilises en entree
const int inLght=4;
const int inCir=A0;
void setup() { //Initialisations, ouvertures des ports, debut de la communication par le port serie
avec le PC pour le debuggage...
Serial.begin(9600);
pinMode(inLght, INPUT);
pinMode(outGrn, OUTPUT);
pinMode(outRed, OUTPUT);
pinMode(outTrig, OUTPUT);
pinMode(outFlash, OUTPUT);
}
int state=0; //Booléen (0-1). Si FAUX, les photos peuvent être prises. Si VRAI, elles ne peuvent pas
(photos déjà prises sur ce passage)
void takeShot() { //Prend UNE photo
digitalWrite(outTrig, HIGH);
delay(110);
digitalWrite(outTrig, LOW);
}
void loop() { //Fonction principale, appelée en boucle par l'Arduino. Equivaut à un forever() {}
if(digitalRead(inLght)) //FEU VERT
{
digitalWrite(outGrn, HIGH); //VERT
digitalWrite(outRed, LOW); //ROUGE
}
else // FEU ROUGE
{
digitalWrite(outGrn, LOW);
digitalWrite(outRed, HIGH);
int sensorValue = analogRead(A0); //Lecture de la tension en entree
if(sensorValue<128) // Si elle est faible, il y a detection (capteur court-circuité par le
transistor et la mise à la masse)
{
if(!state) //Si c'est l'on n'a pas pris de photos durant ce passage, on les fait
{
digitalWrite(outFlash, HIGH);
delay(50);
takeShot();
delay(750);
digitalWrite(outFlash, LOW);
}
}
else // Lorsque le capteur indique qu'il n'y a pas (plus) detection, on remet state à 0 pour le
prochain passage
state=0;
}
}
Concours C.Génial – Les détecteurs de franchissement de feux rouges
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