Modélisation et simulation de capteurs électromagnétiques appliquées au domaine automobile

172 Pages·2017·4.6 MB·French

by  Steve Pechberti

Modélisation et simulation de capteurs
électromagnétiques appliquées au domaine automobile
pour le prototypage de systèmes d’aide à la conduite.
Applications aux radars et systèmes de
télécommunications
Steve Pechberti
To cite this version:
Steve Pechberti. Modélisation et simulation de capteurs électromagnétiques appliquées au domaine
automobile pour le prototypage de systèmes d’aide à la conduite. Applications aux radars et systèmes
de télécommunications. Automatique / Robotique. Université Evry-Val d’Essonne, 2013. Français.
￿NNT: ￿. ￿tel-01466280￿
HAL Id: tel-01466280
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Université Evry - Val d’Essonne
Sciences et Ingénierie ED 511
Laboratoire IBISC - UEVE
Laboratoire LIVIC - dept. COSYS - IFSTTAR
NNT:
hèse
T
27 2013
présentée et soutenue publiquement le Novembre
pour l’obtention du grade de
Docteur de l’ Université Evry - Val d’Essonne
« »
Spécialité Robotique
par
Steve Pechberti
odélisation et simulation de cap
M -
teurs électromagnétiques appliquées
au domaine automobile pour le proto
-
typage de systèmes d aide à la conduite
’
pplications aux radars et systèmes de télécommunications
A
omposition du jury
C
Rapporteur: Marion Berbineau DR, IFSTTAR, France
Rapporteur: Dieter Willersinn Professeur, IOSB, Allemagne
Examinateur: Florence Sagnard CR, IFSTTAR, France
Examinateur: Jean-Yves Didier MCU, Université d’Evry, France
Encadrant: Dominique Gruyer CR, IFSTTAR, France
Directeur de thèse: Vincent Vigneron MCU-HDR, Université d’Evry, France

Titre
Modélisationetsimulationdecapteursélectromagnétiquesappliquéesaudomaineautomobilepourle
prototypagedesystèmesd’aideàlaconduite
Applicationsauxradarsetsystèmesdetélécommunications
Résumé
Cette thèse propose un modèle de capteur électromagnétique générique pour la simulation de scènes
routièresdanslecadredelamiseenoeuvredenouveauxsystèmesd’aideàlaconduitepourletrans-
portterrestre.L’unedescontraintesmajeuresdecetteproblématiqueconcernelestempsdetraitements
disponiblesdansuntelcontexte.Pourobtenirouapprocherd’unfonctionnementtempsréel,plusieurs
méthodesderésolutionutilisantlescapacitésdel’architecturecentrale(CPU)etlescapacitésprogram-
mables des cartes graphiques (GPU) sont mises en oeuvres. Un bus de partage est également défini
afin de pouvoir répartir les traitements relatifs aux modèles présents dans la scène virtuelle sur un
ensemble de poste de travail. La simulation de la propagation des ondes électromagnétiques est abor-
dée en fonction des situations étudiées et du niveau de granularité souhaité. En général, ce niveau de
représentationestdirectementliéauxbruitsassociésàl’environnement.Lesmodélisationsdececanal
mettent donc en oeuvre plusieurs représentations du phénomène de propagation des ondes électro-
magnétiques et de leurs interactions avec l’environnement. Cet environnement dispose également de
plusieursniveauxdemodélisations.Cettemodélisationgénériqueapermisdedévelopperdeuxtypes
decapteursspécifiquesutilisésdansledomaineautomobile:lecapteurdetypeRADARetlessystèmes
detélécommunications.
Un modèle complet de radar reposant sur cette modélisation générique est mis en oeuvre et des pre-
miers résultats encourageant sont présentés. Cette simulation d’un RADAR automobile s’appuie sur
plusieurssolutionstechniquesutilisésaujourd’huidanslesRADARsembarqués.
Cettemodélisationintègretouteslespartiesd’uncapteurRADARréel,c’estàdirel’ensembledetous
ses composants matériels et de ses modules logiciels. Pour la seconde modélisation concernant les
systèmes de télécommunications, une première architecture fonctionnelle est proposée (émetteur, ré-
cepteur,canaldepropagation).Desperspectivessontégalementproposéespouraboutiràladéfinition
d’unrouteurvirtuel.
Toutes ces modélisations physiquement réalistes ont été implantées avec succès dans la plateforme de
simulationdevéhicules,d’infrastructuresetdecapteursduLIVIC(SiVIC).
Mots-clés
Modélisation,simulation,parallélisation,architecturelogicielle,GPGPU,électromagnétisme,radar
Title
Modeling and simulation of electromagnetic sensors applied to the automotive domain for advanced
drivingassistancesystemsprototyping
Applicationstoradarandcommunicationssystems
Abstract
This thesis deals with embedded electromagnetic sensor modelling for advanced driving assistance
system prototyping. One of the main issue about the problem is the computation time consuming. To
get or approach a real-time operation, several methods of resolution based on capabilities of the core
architecture (CPU) and graphics card-programmable capabilities (GPU) are implemented. A software
solutionisalsodefinedinordertodistributetheprocessingrelatingtothemodelsinthevirtualscene
on a set of workstation. The simulation of the propagation of electromagnetic waves is discussed in
termsofthesituationsstudiedandthedesiredlevelofgranularity.Ingeneral,thislevelofperformance
isdirectlyrelatedtonoiseassociatedwiththeenvironment.
This generic model has allowed to develop two specific types of sensors used in the automotive field:
theRADARsensortypeandtelecommunicationssystem.
A complete model of radar based on our generic model is implemented and the first encouraging re-
sultsarepresented.ThissimulationofamotorRADARreliesonseveraltechnicalsolutionsusedtoday
inRADARsshipped.ThismodelincorporatesallthepartsofarealRADARsensor,iethesetofallits
hardwareanditssoftwaremodules.
Forthesecondmodelfortelecommunicationsystems,afirstfunctionalarchitectureisproposed(trans-
mitter,receiver,propagationchannel).Prospectsarealsoproposedtoleadtothedefinitionofavirtual
router.
All physically realistic models were successfully implemented in the simulation platform vehicles, in-
frastructureandsensorsLIVIC(SiVIC).
Keywords
Modelling,simulation,parallelism,software,GPGPU,electromagnetism,radar

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Remerciements
LestravauxderechercheprésentésdanscemémoireontétéréalisésauseindulaboratoireLIVIC(La-
boratoire sur les Interactions entre les Véhicules, l’Infrastructure et les Conducteurs) à Versailles et au
laboratoireIBISC(InformatiqueBiologieIntégrativeetSystèmesComplexes)àEvry.Ilsontétéfinancés
parlesprojetseMotiveetCooPerCom.
Mes premiers remerciements sont bien évidemment adressés à Dominique Gruyer, qui a rendu cette
aventure possible en m’accordant sa confiance pendant toutes ces années; et à Vincent Vigneron, tou-
joursdebonsconseilsetàl’écoutedemespréoccupations.
MerciàVousDeuxpourcetteexpérience!
Merciégalementauxmembresdujuryd’avoirbienvouluévaluermestravaux;àMarionBerbineauet
Dieter Willersin en acceptant d’être rapporteurs de cette thèse ainsi qu’à Jean-Yves Didier et Florence
Sagnardpourleurparticipationàlasoutenance.Jeleurensuistrèsreconnaissant.
Etparcequecesannées(etlesprécédentes)auseinduLIVIContétéuneexpérienceexceptionnelle,un
grandmerciàtoutel’équipepourcesmoments,GuillaumeSaintPierre,AurélienCord,JoëlleBesnier,
Marc Revilloud, Jérôme Perignon, Marianna Netto, Lydie Nouveliere, Francis Dupin, Jean-Marie Che-
vreau, Benoit Lusetti, Mickael Messiah, Rachid Belaroussi, Olivier Orfila, Sébastien Glaser et Jacques
Ehrlich.Merciégalementàtousceuxdontletravailapermilaréalisationdecemanuscrit,etàtousles
inconnusquim’aurontprétéuneoreilleauhasarddenosrencontres.
UnementionspécialepourPatriciaSIMON,àquijesouhaitelemeilleur.
Etparcequesijenedisrienàleurpropos,ilsvontmelereprocherjusqu’àlafindestemps...
Maman,Papa,Catherine,etparordred’arrivée,Julien,Anne-Laure,RomainetlepetitdernierLéo,un
grandmerciàVousdemesupporter...

Table des matières
Tabledesmatières 1
Tabledesillustrations 3
Tabledestableaux 7
I Introduction 9
A Capteurs Electromagnétiques:
Un Modèle Générique 17
II Unmodèledecapteurélectromagnétiquegénérique 23
1 Lemodèlematériel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.1 Lemodèled’uncomposantélectroniquefonctionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2 Lemodèlecompletd’uncapteurélectromagnétiquegénérique . . . . . . . . . . . 28
1.3 Letraitementdusignalélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4 Dumodèlecapteuraumodèledepropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 Lesmodèlesdepropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1 Lesreprésentationsdel’information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2 Lesreprésentationsdel’antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3 Lesreprésentationsdumonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4 Lesreprésentationsdesinteractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5 Lesmodèlescomplets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
III Unesolutionrépartie:lecalculparallèle 51
1 Architecturelogicielledesmodèles:lecapteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
1.1 Lecomposantélectroniquefonctionnellogiciel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
1.2 Letraitementdusignal"électrique" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.3 Intégrationdesdifférentesméthodesderésolutionsaumodèle . . . . . . . . . . . 67
2 Architecturelogicielledesmodèles:lapropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.1 Letrajetd’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.2 Lesmodèlesdepropagations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3 Architecturematérielle:lecloudcomputing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.1 Identificationdesbesoins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2 Leconnector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.3 Lesstratégiesdecommunications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.4 Lebuslogiciel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.5 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
B Applications pour le domaine automobile 99
IV LemodèleducapteurRADAR 105
1 Lecapteurradar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
1.1 Exploitationdel’effetdoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
1