[APPLICATION ONSEMI] Afin que les véhicules deviennent plus “intelligents” et autonomes, ils doivent détecter et analyser de manière précise leur environnement. Pour ce faire, il existe plusieurs méthodes mais l'une des plus anciennes est la détection par ultrasons. Initialement utilisés pour l'aide au stationnement afin de détecter les objets à proximité, ces capteurs polyvalents ont aujourd’hui évolué dans le cadre des applications d'aide à la conduite telles que la détection d’angles morts, l'aide au changement de voie et la navigation, ainsi que la surveillance du conducteur et des occupants. Cet article examine l'évolution de ces capteurs à ultrasons, leur avenir et leurs applications associées, comme les robots mobiles.
Auteur : Marek Hustava, Responsable définition de produits, Analog et Mixed Signal Group chez onsemi
La technologie des ultrasons a été développée pour la première fois il y a près d'un siècle pour détecter des objets et des défauts dans des matériaux solides. Cette technologie a été brevetée pour la première fois en 1931. Avec l'évolution de l’électronique, les transducteurs à ultrasons ont été couramment utilisés dans les alarmes anti-intrusion. Dans le domaine de l'automobile, les capteurs à ultrasons ont d'abord été utilisés pour l'aide au stationnement, détectant les obstacles qui peuvent ne pas se trouver dans le champ de vision du conducteur. Le plus souvent, ils étaient montés dans le pare-chocs arrière, bien que les véhicules haut de gamme aient souvent déployé des capteurs à ultrasons dans le pare-chocs avant, également.
Ondes réfléchies permettant de détecter des objets partiellement visibles (Source : onsemi)
onsemi a lancé son premier capteur ultrasons d'aide au stationnement en 2007 et n'a cessé de faire évoluer cette technologie. Deux décennies et six générations plus tard, le développement se poursuit avec un capteur de septième génération qui vise des applications encore plus larges. Un élément clé de l'évolution est lié à l’avancée de la technologie haute tension propriétaire d'onsemi, qui est passée de 700 nm à 65 nm. Ce qui a permis d'améliorer les performances grâce à un meilleur rapport signal/bruit et à une plus grande distance de détection. Grâce à ces améliorations technologiques, les capteurs à ultrasons sont désormais plus polyvalents et peuvent être utilisés dans des applications différentes, tant à l'extérieur du véhicule (détection des angles morts) que dans les applications émergentes à l'intérieur de l'habitacle, comme la détection des occupants et la reconnaissance des gestes.
De fait, En 2009, onsemi a livré 3 millions de capteurs et a doublé ses livraisons pour atteindre 6 millions d’unités en 2010. En l'espace d'une décennie, à parti de 2018, plus de 100 millions d'unités ont été livrées chaque année. L'année dernière, en 2023, ce chiffre avait doublé pour atteindre 200 millions d'unités par an, avec plus d'un milliard de produits au total.
Les capteurs à ultrasons adaptés aux applications automobiles modernes
Sur presque tous les véhicules roulants, il existe ce que l’on appelle un “angle mort” situé à l'arrière et sur le côté du véhicule que le conducteur ne peut pas voir en utilisant ses rétroviseurs ou en tournant la tête. Le danger survient dès lors qu’un conducteur veut s'arrêter pour doubler sans voir le véhicule qui approche. Des capteurs à ultrasons correctement positionnés peuvent surveiller cette zone et avertir le conducteur qui n'est pas sûr de s'arrêter, par un signal visuel ou sonore, ce qui permet d'éviter une collision.
Les systèmes de guidage au stationnement avancé utilisent aussi les capteurs à ultrasons en conjonction avec la direction, l'accélération et le freinage automatisés pour garer le véhicule sans que le conducteur ne fasse rien d'autre que d'arrêter le véhicule à proximité de la place de parking et d'enclencher le système de stationnement automatique.
De même, un conducteur n’a pas une bonne visibilité lorsqu'il sort d'une place de parking en marche arrière. Dans ce cas, lorsque le conducteur sort de son véhicule, la détection du trafic transversal à l'aide de capteurs à ultrasons peut identifier les autres véhicules et émettre un avertissement. Si l'avertissement n'est pas pris en compte, de nombreux véhicules sont désormais capables de freiner automatiquement.
Les ultrasons peuvent détecter les obstructions statiques pour l’APS
Récemment, les capteurs à ultrasons ont aussi étendu leurs applications à l'intérieur de l'habitacle. La détection des occupants étant rendue obligatoire par la législation et des programmes tels que l'Euro NCAP (New Car Assessment Program), ces capteurs sont désormais utilisés pour détecter les passagers, déclencher des avertissements concernant le port de la ceinture de sécurité et veiller à ce que les airbags se déploient en toute sécurité en fonction de la taille et du poids des occupants.
En outre, si un bébé est laissé dans un véhicule sans surveillance, un avertissement peut être émis. Les capteurs peuvent également être utilisés pour surveiller la vigilance du conducteur, en détectant sa respiration et son rythme cardiaque.
Au-delà, avec les systèmes d'info-divertissement sophistiqués des véhicules, il y a souvent peu de place pour les boutons et il peut être dangereux de chercher le bon bouton en conduisant. Grâce aux ultrasons, les conducteurs peuvent désormais contrôler de nombreuses fonctions du véhicule d'un simple geste - en tournant la main pour changer le volume, par exemple - ce qui améliore la commodité et la sécurité.
Dans ce cadre, le capteur NCV75215 d'onsemi (voir ci-dessoous) offre une solution mono puce qui ne nécessite qu'un circuit externe et un transducteur. Avec un fonctionnement très sensible et à faible bruit, la détection est possible à des distances allant de 0,15 m à 4,5 m pour un pôle standard de 75 mm.
Un kit d'évaluation de l'aide au stationnement par ultrasons est également disponible. Il permet aux concepteurs de réaliser des prototypes et de déboguer entièrement les conceptions.
Tendances et innovations futures : de l'automobile à l'industrie
Les ultrasons ne se limitent plus aujourd’hui à l'automobile. Dans le monde industriel, ils permettent aux véhicules à guidage automatique (VGA, vehicle guiding automation) des entrepôts et aux robots mobiles autonomes (RMA, Robot Mobile Automation) à gérer des applications de livraison/transport, avec la détection d’objets en profondeur à courte distance. Comme dans le cas de l'automobile, les capteurs ultrasoniques peuvent aider les VGA et les RMA à détecter des objets à proximité et à naviguer dans leur environnement de travail.
Dans les usines, les ultrasons sont également présents sur les chaînes de production, où ils surveillent et contrôlent les paramètres des processus. Il est clair que la technologie ultrasons progresse et que de nouvelles applications apparaissent.
À l'avenir, le rythme des changements s'accélérera. Par exemple, des travaux sont en cours pour associer un microphone MEMS au capteur à ultrasons. En plus de recevoir le signal ultrasonique, le microphone MEMS peut capter d'autres sons, comme celui d'un véhicule qui s'approche. Il serait également capable de distinguer la sirène d'un véhicule d'urgence et d'alerter le conducteur pour qu'il prenne les mesures nécessaires.
La saleté et la pluie peuvent entraîner des problèmes de performance avec les capteurs à ultrasons et les caméras placées à l'avant. En incorporant un dispositif piézoélectrique dans le boîtier, il est possible de faire vibrer le capteur pour éliminer la pluie, la saleté ou même la glace, afin de garantir le bon fonctionnement de ce capteur essentiel pour la sécurité. Dans certains cas, cela ne sera pas nécessaire car les futurs capteurs à ultrasons seront probablement montés derrière le pare-chocs plutôt que devant.
À mesure que l'électrification s'étend à l'ensemble du parc automobile, il est essentiel de connaître l'état de la batterie. Aujourd'hui, cela se fait de manière externe en mesurant la tension, le courant et la température de la batterie. Toutefois, en installant des capteurs à ultrasons à l'intérieur de la batterie, ils pourront fournir une évaluation beaucoup plus précise de l'état de charge et de l'état de santé de la batterie de chaque véhicule.
