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Exercice I : La voiture autonome

" Sans les mains ! C'est de cette manière que vous pourrez, peut-être très bientôt, conduire votre prochaine voiture... ». Cette phrase évoque ici la voiture autonome dont la commercialisation sera lancée aux alentours de 2020.

Cette voiture " se conduira seule », car elle

aura une perception globale de son environnement grâce à la contribution de plusieurs capteurs : télémètre laser à balayage (LIDAR*), caméra, capteurs à infrarouge, radars, capteurs laser, capteurs

à ultrasons, antenne GPS ...

*LlDAR = Light Detection And Ranging

Un odomètre mesure la distance parcourue

par la voiture. L'objectif de cet exercice est d'étudier quelques capteurs présents dans une voiture autonome.

Principe de fonctionnement des capteurs

Les radars, capteurs ultrasonores et lasers sont tous constitués d'un émetteur qui génère une onde

pouvant se réfléchir sur un obstacle et d'un capteur qui détecte l'onde réfléchie. Le capteur permet

de mesurer la durée entre l'émission et la réception de l'onde après réflexion sur l'obstacle.

Le radar utilise des ondes radio. Le sonar utilise des ultrasons tandis que le laser d'un LIDAR émet

des impulsions allant de l'ultra-violet à l'infrarouge. Extrait d'une notice de " radar de recul » (aide au stationnement) - En marche arrière le " radar de recul » se met en fonction automatiquement. - L'afficheur indique la distance de l'obstacle détecté pour des valeurs comprises entre 0,3 m et 2 m. - L'afficheur dispose d'un buzzer intégré qui émet un signal sonore dont la fréquence évolue en fonction de la distance à l'obstacle. Extrait d'un document d'un constructeur automobile : système autonome de régulation de vitesse ACC.

Le système ACC traite les informations d'un capteur radar afin d'adapter la vitesse de la voiture en

fonction des véhicules qui la précèdent. Les caractéristiques du capteur radar d'un système ACC sont

données ci-dessous.

Fonctionnalité

Détermine la distance, la vitesse et la

direction d'objets mobiles roulant devant le véhicule

Fréquence d'émission 76 77 GHz

Portée minimale - portée maximale 1 m 120 m

Activation du capteur vitesse > 20 km.h1

Données :

- célérité du son dans l'air à 20 °C : v = 343 m.s1 ; - célérité de la lumière dans le vide ou dans l'air : c = 3,0108 m.s1.

1. Propriétés de quelques capteurs présents dans la voiture autonome

1.1. Compléter le tableau de l'annexe à rendre avec la copie en précisant pour chaque capteur le

type d'ondes utilisées. 0,75 pt

Voir tableau, le sujet précisant " Le radar utilise des ondes radio. Le sonar utilise des ultrasons

tandis que le laser d'un LIDAR émet des impulsions allant de l'ultra-violet à l'infrarouge. »

Tableau complété :

Capteur

Type d'onde utilisée par

le capteur : mécanique /

électromagnétique

Points forts Points faibles

Radar électromagnétique

Longue portée, robustesse

face aux conditions météorologiques, bonne performance de détection.

Pollution électromagnétique,

coût relativement élevé, encombrement, interférences

électromagnétiques.

Capteurs

ultrasons mécanique

Réalisation simple, coût

abordable traitement simple des données.

Précision de détection sujette

à la température, sensibilité

aux conditions météorologiques.

Capteur

laser (LIDAR)

électromagnétique

Longue portée, grande

précision, bonne résolution, coût accessible.

Dérèglements fréquents,

grande sensibilité aux conditions météorologiques, interférences.

1.2. À l'aide du tableau ci-dessous, déterminer le nom de la bande d'ondes radio utilisées par le

capteur radar de l'ACC. Justifier votre réponse à l'aide d'un calcul. (1 pt)

Nom de bande

d'ondes radio Longueurs d'onde dans le vide

HF 10 m 100 m

nL 15 cm 30 cm

W 2,7 mm - 4,0 mm

f comprise entre 76 GHz et 77 GHz. c f (0,25 pt) 8

93,0 10

76 10
u = 3,9×103 m = 3,9 mm (0,5 pt)

2,7 4,0 mmdd

donc les ondes radio utilisées appartiennent à la bande W. (0,25 pt)

1.3. La vitesse relative (différence de vitesse) entre la voiture équipée du système ACC et un objet peut

être calculée par le biais de l'effet Doppler. Recopier en les complétant les deux phrases suivantes :

Si l'objet se rapproche de l'émetteur, la fréquence de l'onde réfléchie est plus élevée. (0,5 pt)

Si l'objet s'éloigne de l'émetteur, la fréquence de l'onde réfléchie est plus faible. (0,5 pt)

(La vitesse relative (différence de vitesse) entre la voiture équipée du système ACC et un objet

peut être calculée par le biais de l'effet Doppler)

2. Plage de détection d'un obstacle pour le " radar de recul »

Ce " radar de recul » est composé de quatre capteurs ultrasonores identiques. Chacun de ces

capteurs a une portée minimale dmin = 0,30 m d'après la notice. Cela signifie qu'un obstacle situé à une

distance du capteur inférieure à dmin ne sera pas détecté.

Le capteur est constitué d'un matériau piézo-électrique utilisé à la fois pour fonctionner en mode

émetteur ou en mode récepteur. Il ne peut fonctionner correctement en récepteur que lorsqu'il a

fini de fonctionner en émetteur. Pour cette raison, le capteur génère des salves ultrasonores de

durée t1 = 1,7 ms avec une périodicité t2 = 12 ms.

La figure ci-dessous illustre ce fonctionnement.

2.1. Légender la figure de l'annexe à rendre avec la copie en indiquant les durées t1 et t2. (0,5 pt)

2.2. Faire un schéma représentant un capteur détectant un obstacle et y faire apparaître sa portée

minimale dmin et sa portée maximale dmax en précisant leurs valeurs. 0.5 pt

2.3. Vérifier que pour la distance dmin entre le capteur et l'obstacle, la durée entre l'émission et la

réception est égale à t1. (0,75 pt) Entre son émission et sa réception, laller-retoue d = 2dmin en une durée ǻt. v = d t donc ǻt = min2d v (0,5 pt)

ǻt =

2 0,30

343
= 1,7×103 s = 1,7 ms = ǻt1 (0,25 pt)

2.4. Si la durée que met l'onde émise pour revenir au capteur est inférieure à t1, pourquoi le

capteur ne peut-il pas détecter l'obstacle de manière satisfaisante ? Justifier la réponse. (0,5 pt)

Si la durée que met l'onde émise pour revenir au capteur est inférieure à t1, alors le capteur ne peut

2.5. Quelle caractéristique du signal de l'émission doit-on alors modifier pour que le capteur puisse

détecter un obstacle situé à une distance inférieure à dmin ? Justifier votre réponse. (0,5 pt)

Pour que le capteur puisse détecter un obstacle situé à une distance inférieure à dmin, il faut réduire la durée

ǻt1-

2.6. Montrer que la valeur de la portée maximale de ce capteur est liée essentiellement à une des

caractéristiques du signal émis. (0,5 pt) v = max2d t ainsi ǻt = max2d v

Capteur

Obstacle

dmin = 0,30 m dmax = 2,0 m

ǻt =

2 2,0 343
= 1,2×102 s = 12 ms = ǻt2

La portée maximale du capteur est liée à la durée entre deux émissions de salves ultrasonores successives.

3. Les radars, les capteurs ultrasonores et les capteurs lasers permettent avec des similitudes

dans leur principe de fonctionnement de détecter un obstacle. Pourquoi ne pas utiliser alors un seul de ces trois types de capteurs dans un projet de voiture autonome ?

On rédigera une réponse argumentée en s'appuyant sur des informations tirées des différents

documents utilisés, y compris le tableau de l'annexe.0,5 pt

Lesprit de la réponse à donner est bien : " je ne peux pas utiliser que le radar parce quil nest pas

adapté pour telle ou telle mesure »

Il ne sagit pas de parler de coût, dusure, de fragilité, de problèmes dinterférences, etc mais de ce que

certains capteurs ne peuvent pas faire alors que dautres le font, doù la nécessité davoir plusieurs types de

dispositifs embarqués sur la voiture.

Deux critères essentiels, donc : la portée et la vitesse relative entre la voiture et lobstacle.

- Les obstacles que doit détecter la voiture autonome sont situés à des distances différentes.

Chaque dispositif est adapté à un intervalle de distances. Ainsi le radar et le lidar sont adaptés

à des longues portées tandis que le capteur à ultrasons convient pour de plus faibles

distances.

- De plus les obstacles peuvent avoir des vitesses par rapport au véhicule très différentes. Le

différences de vitesse doivent être faibles.

Exercice II :

-orange, est un indicateur coloré de pH couramment utilisé pour la réalisation de titrages acidobasiques.

Son nom provient de la famille des fleurs " héliante » (du grec helios = soleil et anthos = fleurs) dont

Partie A

une réaction de copulation sur la N, N-diméthylaniline. HO3S C6H4 NH2 + HNO2 + H3O+ HO3S C6H4 N2+ + 3H2O acide sulfanilique acide nitreux ion aryldiazonium Le protocole de cette étape est décrit ci-dessous : s forme solide. Refroidir cette solution dans un bain eau-glace et mettre sous agitation durant 5 minutes.

(Na+(aq) + NO2(aq)) de concentration molaire égale à 2,0 mol.L-1 et refroidir cette solution dans un

bain eau-glace.

3O+(aq) + Cl(aq)) de concentration molaire égale à

2,0 mol.L-1.

Diazotation

Choisir parmi les

sulfanilique : addition, dissolution, dilution. (0,5 pt)

Dissolution (cours) 0.5 pt

1. nitreux est instable. Il est donc préparé à froid et juste avant utilisation par action de

Quelles précautions doit-on prendre pour manipuler la solution de nitrite de sodium ? (0,5 pt) - dangereuse : il faut porter des gants de protection (lunettes et blouses obligatoires), - un comburant : il faut éviter de

2.2. Parmi la verrerie proposée ci-dessous, laquelle semble la plus adéquate pour mesurer le volume

(0,5 pt)

"bécher 100 mL» ; "pipette jaugée 20 mL» ; "éprouvette graduée 25 mL» ; "fiole jaugée 20 mL»

Pour mesurer un volume de 20 mL (donc peu précis), il faut utiliser une éprouvette graduée de 25 mL.

La pipette jaugée et la fiole jaugée de 20,0 grande précision inutile ici.

1.1. Sachant que cette transformation e

2 de sodium (Na+(aq) + NO2(aq)3O+(aq) + Cl(aq) réaction :

NO2-(aq) + H3O+(aq) HNO2(aq) + H2O(l)

0,25 pt : réaction acido-basique car il y a eu H+ 3O+ vers la

base NO2. 1.2. est égale à 2,0×102 mol.0.75 pt

NO2(aq) + H3O+ HNO2(aq) + H2O(l)

Pour déterminer la quantité de matière de produit HNO2, il faut connaître les quantités de matière

initiales des réactifs.

2 NO i NS in C V NS=

AN : ,- 3 2

2i n(NO )= 2,0 10 10 2 0 10 mol--

= 20 mmol (0,25 pt) ( ) . ( )3 H O i AC in C V AC+= AN : ( ) , ,32

3 H O 2 0 20 10 4 0 10 molin+ - -

= 40 mmol (0,25 pt) n a

2in(NO ) 1

3in(H O ) 1

donc les ions NO2 constituent le réactif limitant. La transformation étant totale, on peut écrire :

2fn(HNO )

1

2in(NO )

1

Ainsi,

2fn(HNO )=,-2

2in(NO ) 2 0 10 mol-

= 20 mmol (0,25 pt)

On peut aussi traiter cette que

équation chimique NO2(aq) + H3O+ HNO2(aq) + H2O(l)

État du

système

Avancement

(mol) Quantités de matière (mmol)

État initial x = 0 CNS.V(NS)i =

20

CAC.V(AC)i =

40 0 0

En cours de

transformation x 20 x 40 x x x État final xmax = 20 20 xmax = 0 40 xmax = 20 20 20

2. Quel est l

aryldiazonium formés.1 pt de diazotation est : HO3S-C6H4-NH2 + HNO2 + H3O+ HO3S-C6H4-N2+ + 3 H2O antité de matière de H3O+ restante à

2. Soit

320 mmolin H O

2 est égale à celle formée lors de la réaction

précédente. Soit

2HNO 20 mmolin

.(0,5 pt) iim(AS)n(AS) =M(AS) -3 i1,0n(AS) = 5,8 10 mol173,1 = 5,8 mmol (0,25 pt) in(AS) 1 3 1 in H O

2in(HNO )

1 lique AS est le réactif limitant.

La transformation étant totale, cide

sulfanilique :

3 6 4 2 fn(HO S-C H -N )

1 in(AS) 1 = 5,8 mmol (0,25 pt) et/ou sous forme basique notée In. Ces deux formes ont des couleurs différentes en solution aqueuse. HIn et In constituent un couple acide/base dont le pKa est égal à 3,7.

Les spectres UV-ntés ci-dessous :

1.1.

à 5. Quelle couleur prend cette solution ? Décrire votre démarche en utilisant les données et

vos connaissances.(1 pt) Si le pH est égal à 5, il est supérieur au pKA du couple HIn / In c la forme basique

In qui prédomine.

Le spectre UV-visible montre que l absorbe plus fortement vers 460 nm dans le domaine du bleu-violet et se étoile » des couleurs fournies, soit de couleur jaune-orangé.

1e sa teinte sensible, résultat de la superposition de sa forme acide et de sa

forme basique, dans une zone de pH appelée zone de virage. pH = 5 pKa = 3,7 pH HInquotesdbs_dbs1.pdfusesText_1

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