Les technologies de communication et de détection ont transformé l’industrie automobile. De plus en plus, les voitures intègrent des fonctionnalités et des systèmes permettant d’interagir avec leur environnement, de prendre conscience de l’espace environnant, de se connecter entre elles et avec les infrastructures, et de détecter les sources potentielles de danger. On peut considérer que les véhicules ont acquis leurs propres “sens” : ils savent où ils se trouvent et peuvent maintenant voir, entendre et ressentir ce qui se passe autour d’eux.
Les capteurs automobiles sont essentiels pour améliorer la sécurité routière et atteindre les niveaux 4 et 5 de conduite autonome. L’utilisation de technologies de capteurs avancées permettra de prévenir les accidents grâce à des signaux d’avertissement et à des fonctions de sécurité automatisées, et ainsi d’atteindre les objectifs de Vision 0 : zéro décès dans les accidents de la circulation d’ici 2050. Dans ce sens, le Parlement européen a adopté en 2019 une loi rendant obligatoires pour tous les nouveaux véhicules des dispositifs de sécurité tels que l’assistance intelligente à la vitesse, les systèmes de freinage d’urgence avancés et les systèmes de maintien de voie à partir de mai 2022 pour les nouveaux modèles et à partir de mai 2024 pour les modèles existants.
De plus, les mesures de sécurité sont devenues de plus en plus importantes lors de l’achat d’une voiture. C’est pourquoi le programme européen d’évaluation des nouveaux véhicules (Euro NCAP) inclut depuis 2020 des systèmes de freinage d’urgence dans ses évaluations. Cela a contraint l’industrie à intensifier ses efforts et à intégrer de nouvelles fonctionnalités de détection dans ses véhicules.
Les capteurs automobiles pour les systèmes d’assistance à la conduite et la conduite autonome.
Différentes options sont disponibles pour détecter l’environnement autour d’un véhicule. Cependant, pour une conduite entièrement autonome, une combinaison de différentes technologies de détection sera nécessaire pour assurer une détection à 360°. Le système complet peut être considéré comme les “sens” d’une voiture, fournissant les moyens d’interagir avec l’environnement et créant une “enveloppe de sécurité”. Chaque technologie a ses avantages et ses inconvénients, comme indiqué dans le tableau 1 ci-dessous, de sorte que la conduite entièrement autonome nécessitera la combinaison de différentes sources, comme le montre la figure 2.
Tableau 1: Les avantages et les inconvénients de différentes technologies de capteurs pour les applications automobiles.
Le radar automobile
Le radar est une technologie bien connue qui repose sur l’envoi et la réception d’ondes électromagnétiques pour mesurer, détecter et localiser les obstacles dans l’environnement. Le radar est particulièrement adapté aux applications automobiles, car les véhicules sont de bons réflecteurs pour les ondes électromagnétiques, ce qui permet de déterminer avec précision leur distance, leur position et leur vitesse.
Dans les environnements automobiles, le radar à ondes continues modulées en fréquence (FMCW) est utilisé dans différentes bandes de fréquences, en fonction de l’application. Le principe du radar FMCW sera expliqué dans le prochain article sur le radar. L’architecture de base du radar est illustrée dans la figure 3. Elle comprend un ou plusieurs émetteurs-récepteurs radar MMIC, connectés à une unité de traitement haute performance (MCU ou SoC). L’architecture et le nombre de puces dépendront de l’emplacement du module radar sur le véhicule et de l’application qu’il doit couvrir, comme le montre également la figure 4.
L’Union internationale des télécommunications (UIT) définit deux catégories de systèmes radar automobiles en fonction de leur fonction :
Catégorie 1 : Elle comprend les systèmes radar qui fournissent des fonctions de confort pour le conducteur, permettant une conduite plus détendue. Cette catégorie comprend le régulateur de vitesse adaptatif (ACC) et les radars d’évitement de collision (CA), pour des plages de mesure allant jusqu’à 250 mètres.
Catégorie 2 : Elle définit des capteurs pour des applications à haute résolution, qui contribuent à la sécurité passive et active d’un véhicule, par exemple la détection des angles morts, l’assistance au changement de voie et l’alerte de traversée arrière, la détection des piétons et des vélos à proximité d’un véhicule. La portée est inférieure à celle de la catégorie 1, avec un maximum de 50 à 100 mètres, selon l’application. Ces systèmes visent à améliorer la sécurité routière en augmentant la sécurité passive et active d’un véhicule.
Les types de radars peuvent également être classés en fonction de la plage de mesure (figure 5) :
- Radar à courte portée (SRR), avec un grand champ de vision et une haute résolution, et une portée allant jusqu’à 50 mètres.
- Radar à moyenne portée (MRR), avec un champ de vision moyen et une portée allant jusqu’à 100 mètres.
- Radar à longue portée (LRR), qui n’exige pas une résolution élevée ou un champ de vision large, mais vise la portée la plus élevée possible, jusqu’à 250 mètres.
Pour assurer une couverture à 360°, différents capteurs radar avec des fonctions différentes doivent être placés sur la voiture, comme illustré dans la figure 6. Les données obtenues doivent être combinées pour obtenir des informations précises en temps réel sur l’environnement.
Les capteurs radar peuvent être facilement installés derrière des éléments communs de la voiture, comme les pare-chocs ou les emblèmes de la marque, de manière à être invisibles et à ne pas affecter l’esthétique. Cette intégration est facilitée avec des fréquences de fonctionnement plus élevées, car la taille des antennes, qui détermine la taille du module, est proportionnelle à la longueur d’onde et donc inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement. Il y avait autrefois quatre bandes de fréquences principales utilisées dans les systèmes radar automobiles, deux dans la bande K (environ 24 GHz) et deux dans la bande E (entre 76 et 81 GHz), comme le montre la figure 7.
Cependant, les bandes de 24 GHz sont destinées à être interrompues en raison des interférences avec l’astronomie radio et les applications d’exploration de la Terre. En alternative, la bande de fréquence de 76 à 81 GHz a été acceptée par la plupart des pays comme la bande de fréquence pour les radars automobiles. Dans cette bande, une bande passante de 1 GHz est réservée pour LRR (76 à 77 GHz), tandis que 4 GHz de bande passante sont disponibles pour les applications nécessitant une meilleure résolution, comme le résume le tableau 2.
Tableau 2: Caractéristiques typiques des radars automobiles dans la bande de fréquences de 76 à 81 GHz, selon la recommandation ITU-R M.2057-0 de l’UIT.
Le marché du radar
L’intégration de nouvelles fonctionnalités de sécurité et de confort dans les nouveaux véhicules a conduit à une explosion du marché du radar. L’automobile est le segment connaissant la croissance la plus rapide de ce marché, qui devrait dépasser 10 milliards de dollars américains en 2025, comme le montre la figure 8.
Si nous ne considérons que les émetteurs-récepteurs radar MMIC, les prévisions du marché dépassent 1,2 milliard de dollars américains, la technologie GaAs disparaissant presque complètement au profit d’une croissance rapide du CMOS qui deviendra la technologie dominante d’ici 2025.
Conclusion
Les modules radar sont devenus une caractéristique standard des véhicules modernes. Bien qu’ils présentent certains inconvénients par rapport à d’autres technologies en termes de résolution de la portée, leur fiabilité et leur polyvalence en font des éléments indispensables dans les systèmes modernes d’assistance à la conduite et de conduite autonome. Le passage à des fréquences plus élevées, de 76 à 81 GHz, a posé de nouveaux défis technologiques, mais a également ouvert la voie à de nouveaux développements passionnants dans le secteur des semi-conducteurs.
