Brevet FR3094161A1 — publié le 20200925

Description Titre de l'invention : Dispositif de communications coopératives pour systèmes de transport, associant radars embarqués et commu- nications inter véhicules V2V [pool ] On sait que l'amélioration de la sécurité routière et l'orientation des technologies vers la conduite autonome des véhicules de transport, conduisent à recourir le plus souvent à une pluralité de radars embarqués pour détecter l'environnement immédiat des véhicules et apporter auxdits véhicules circulant sur les routes, une sécurité préventive ou primaire, c'est-à-dire un ensemble d'éléments liés au véhicule, aux usagers et à l'environnement pouvant éviter la survenue d'un accident. [0002] Le concept du véhicule autonome aujourd'hui recherché correspond à un véhicule automobile apte à circuler sur la voie publique sans intervention humaine en toutes situations. Il s'agit là d'une application typique de la robotique mobile présentant toutefois quelques nuances selon que l'on parle de véhicule totalement autonome, semi-autonome, ou à conduite automatisée par exemple en agglomération ou sur routes ouvertes ou encore à stationnement automatisé etc. [0003] Un véhicule autonome est le plus souvent équipé de capteurs numériques tels que radars, lidars, caméras, sonars etc. dont les données relevées sont traitées par des processeurs et des logiciels spécifiquement adaptés. Lesdits processeurs et logiciels reconstituent la situation routière 3D par reconnaissance de formes, par exemple limites de chaussées, de voies de circulation, de véhicules environnants, de panneaux ou d'obstacles divers et emploient des algorithmes d'intelligence artificielle pour agir en conséquence sur les commandes du véhicule. [0004] La communication coopérative consiste dans la coopération de véhicule à véhicule mais aussi de véhicule à infrastructure. Dans les systèmes coopératifs, l'intelligence est partagée entre le véhicule et l'infrastructure. Les véhicules communiquent les uns avec les autres et avec l'infrastructure, offrant ainsi le potentiel d'accroitre considérablement la qualité et la fiabilité des informations. [0005] Dans cette vision coopérative, les véhicules circulant. sur la route sont connectés à l'infrastructure via une communication continue. Ils échangent des données et des informations pertinentes relatives à la section de route traversée afin d'améliorer la sécurité et permettre une gestion coopérative du trafic. Plus précisément, au travers des protocoles de communication intégrés de type véhicule-infrastructure-véhicule, un véhicule qui détecte une situation dangereuse ou critique utilisera d'abord la communication véhicule à véhicule V2V pour avertir les autres véhicules se trouvant dans son entourage direct et communique cette information aux balises environnantes. Si ces in- 2 formations ne peuvent pas être envoyées aux véhicules ou aux balises, le véhicule utilisera d'autres canaux de communication pour communiquer avec un centre de gestion. Ledit centre prend en charge l'acheminement des messages adéquats aux autres véhicules approchant la zone concernée. [0006] Les systèmes de communication coopérative sont plus généralement désignés par V2V pour les communications de véhicule à véhicule, V21 pour les communications de véhicule à infrastructure et 12V pour les communications des infrastructures vers le véhicule. [0007] Les systèmes communicants coopératifs actuels font généralement appel à au moins trois types de radars de portée et d'ouverture différentes, des radars de courte portée soit de 30 à 40 mètres, de moyenne portée soit de 70 à 100 mètres et de longue portée variant de 200 à 300 mètres. Ces radars utilisent les bandes de fréquences de 76 à 77 GHz et 77 à 81 GHz, la fréquence de 24 GHz étant à ce jour abandonnée, mais présentent une grande sensibilité aux interférences et le plus souvent ne détectent ni les piétons ni la route (Radar pulsé, lincar FM, FMCW, M-sequense etc.). Ces types de radars ont été initialement développés pour des applications telles que adaptivecontrol, Pre-Crash, Blind Spot Detcction et Stop and Go. L'application Line Departure ne peut être réalisée que par des systèmes embarquant des caméras. [0008] [Tableaux 1] Front- ear Front-Rear FronteRear Narrow angle Wide angle And side FNA-RNA FWA-RWA ERS Usage Long Range MiddleRange Short Range Range 300m 70mto 100 m 40m Angle 18° 900 360° [0009] [0010] Les systèmes de conduite autonome et d'aide à la conduite ADAS impliquent que les véhicules soient équipés par de tels radars, à l'avant, à l'arrière et sur les deux côtés. D'autre part ces radars doivent être redondés par des systèmes Lidar et caméras. [0011] Les lidar (light detection and ranging) sont des radars optiques correspondant à une technique de mesure à distance fondée sur l'analyse des propriétés d'un faisceau de lumière renvoyé vers son émetteur. A la différence du radar qui recourt à des ondes radio ou du sonar qui utilise des ondes acoustiques, le lidar utilise la lumière quasiment toujours issue d'un laser. La distance est donnée par la mesure du délai entre l'émission d'une impulsion et la détection d'une impulsion réfléchie. Ils atteignent une portée maximum de 100 mètres et ils utilisent des micro miroirs MEMS pour balayer le faisceau. Leurs performances se dégradent fortement en présence de brouillard, de pluie ou de salissure. [0012] Les caméras présentent également l'inconvénient de voir leurs performances se dégrader en présence de brouillard, de pluie, de soleil intense et de salissure. Elles ont l'avantage de pouvoir détecter la présence des piétons et des lignes blanches. La détection des lignes blanches est actuellement l'unique procédé permettant de bien situer la route et les voies de circulation sur ladite route, informations indispensables pour la conduite autonome. 100131 Les communications inter-véhicules V2V permettent l'échange de données entre les véhicules et ainsi d'appréhender les dangers. Elles agissent généralement selon trois standards courants tels que: 802.11p, Device-to-Device-PC5 du standard 3GPP Re1.13 et 14 couramment appelé 4G et 4G+ et Device-to-Device-PC5 du standard 3GPP Re1.15 et 16 couramment appelé 5G. Ces standards utilisent: a. Les formes d'ondes OFDM, FBMC etc. L'OFDM (orthogonal frequency- division multiplexing) est un procédé de codage de signaux numériques par Tablcaux2] Adapeetke 200 ,Teeess, CnSe 3 Pee- Cemh B` lad Spot Dndiett C:0 tn divi awidexii Midied,MiM De.Darture WardiU Stdp Crd NrmJ ang, accident aveidance Werraal aeddent ;:dwant - GH2 Re:MM:4 Hd. - 161e. 01111r. RMat. et) meus répartition en fréquences orthogonales sous forme de multiples sous-porteuses. Cette technique permet de lutter contre les canaux sélectifs en fréquence en permettant une égalisation de faible complexité. Ces canaux se manifestent notamment en présence de trajets multiples et sont d'autant plus pénalisants que le débit de transmission est élevé. Pour que les fréquences des sous-porteuses soient les plus proches possibles et ainsi transmettre le maximum d'informations sur une portion de fréquences donnée, r OFDM utilise des sous-porteuses orthogonales. Ainsi, les signaux des différentes sous-porteuses se chevauchent mais grâce à l'orthogonalité n'interfèrent pas entre eux. h. L'OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access), sa variante SC- FDMA ou d'autres codages pour assurer l'accès multiple. Tous ces codages sont dérivés du codage OFDM mais contrairement à cc dernier, l'OFDMA est optimisé pour permettre l'accès multiple, c'est-à-dire le partage de la ressource spectrale entre de nombreux utilisateurs distants les uns des autres. Cela permet donc à un très grand nombre de personnes de communiquer. [0014] Souhaitant améliorer la sécurité routière et l'efficacité du trafic routier, l'auteur de la présente invention a orienté ses recherches vers les communications coopératives pour les systèmes de transport et les systèmes radar embarqués détectant l'environnement immédiat d'un véhicule, pour les systèmes d'aide à la conduite ADAS et les systèmes de détection collaborative. [0015] Avantageusement, l'invention permettra: a. De regrouper quatre fonctions en une soit trois radars (courte, moyenne et longue portée) ainsi que les communications inter-véhicules V2V, b. D'établir les communications inter-véhicules en respectant le standard 802.11p. ou celui des communications Device-to-Device-PC5 du Standard 3GPP Re1.13 et 14 couramment appelé 4G et 4G+ ou encore celui des communications Device-to-Device-PC5 du Standard 3GPP Re1.15 et 16 couramment appelé 5G. c. D'obtenir une image 4D (Dimensions) ayant une très bonne définition pour discriminer entre les différents objets, obstacles ou cibles pouvant être rencontrés sur la route (piéton, voiture, moto, vélo etc.), pour situer la route etc. [0016] Selon un mode privilégié de réalisation de l'invention, le dispositif de commu- nications coopératives pour systèmes de transport ci-après désigné radar communicant, dialogue avec les calculateurs embarqués d'un véhicule par l'intermédiaire de BUS CAN et comprend essentiellement trois blocs dont un bloc numérique BN, un bloc émetteur-récepteur dit transceiver BT et un bloc antenne BA. [0017] Selon cc mode de réalisation privilégié de l'invention, le bloc numérique BN a pour mission d'exécuter le traitement du signal et pour cela comprend deux parties principales: a. Une partie CT consistant en une pluralité de circuits de traitement des données par exemple FPGA, ASIC etc. exécutant principalement les traitements de génération des formes d'ondes. h. Une partie PT consistant en une pluralité de processeurs de traitement de données pour exécuter toutes les autres tâches qui ne sont pas considérées par les circuits de traitement de données, à savoir tous ceux qui ne sont pas contraints par le temps. [0018] Selon cc mode de réalisation privilégié de l'invention, le transceiver BT transpose la bande de fréquence des signaux numériques à la bande de fréquence d'émission réception radar 76 à 81 GHz et vice-versa. Il est composé de trois voies, une pour l'émission VE et deux pour la réception VR1 et VR2. [0019] Selon cc mode de réalisation privilégié de l'invention, le canal d'émission VE et un des canaux de réception VR1 du bloc transceiver BT sont connectés respectivement à deux déphaseurs identiques synchrones et ayant la même commande DP1 et DP2. Ils affichent donc à tout instant le même déphasage. Chaque déphaseur est connecté à une antenne de formation d'onde (Beamforming antcnna) Al et A2. Ces antennes sont composées de N x N éléments rayonnants pouvant émettre un faisceau d'ouverture inférieure à 10. 11 est permis avec certaines valeurs des phases appliquées à ces éléments d'obtenir un balayage par exemple de - 45° à + 45° en horizontale et - 10° à + 10° en verticale d'un faisceau d'ouverture inférieure à 10. Selon d'autres valeurs des phases, on peut concentrer les faisceaux dans une ou plusieurs directions. Le deuxième canal de réception VR2 est connecté à une antenne à lobe fixe A3 couvrant la même zone de balayage des autres antennes à savoir - 45° à + 45° en horizontale et - 10° à + 10° en verticale. [0020] Selon ce mode de réalisation privilégié, l'invention se différencie des systèmes de communication existants par les points suivants: a. Combinaison des fonctions radar et communications. Par l'intermédiaire de l'antenne d'émission Al les données sont émises vers tous les véhicules se situant dans l'ouverture - 45° à +45° en horizontale et - 10° à + 10° en verticale. Si le signal est reçu à l'antenne de réception A2 c'est qu'il provient de la même orientation que celle de l'antenne d'émission AI, dans le cas contraire la réception du signal est opérée par l'antenne A3. b. Les communications V2V sont conformes aux standards 802.11p, Deviceto-Device-PC5 du Standard 3GPP Re1.13 et 14 couramment appelé 40 et 40+ et Device-to-Device-PC5 du Standard 3GPP Re1.15 et 16 couramment appelé 6 5G. c. Les précisions des mesures des distances et des vitesses ainsi que les antennes Al et A2 en mode balayage permettent de discriminer entre toutes les cibles (voiture, moto, vélo, piéton etc.) et d'obtenir une image 4D de définition N x N (éléments rayonnants). d. Les précisions des mesures des distances et des vitesses ainsi que les ouvertures des antennes permettent de couvrir les exigences des radars courte, moyenne et longue portée. On combine alors ces trois fonctions radar avec celle de la communication V2V. c. La fusion de l'image 4D avec celles transmises par les autres véhicules permet d'obtenir une image 4D plus précise et de constituer une cartographie précise de la route. f. Les précisions des mesures des distances et des vitesses ainsi que les antennes Al et A2 en mode balayage permettent de détecter les bords de la route et ainsi déterminer la voie de circulation sur laquelle se trouve le véhicule, détecter les dos d'âne, les crevasses et nids de poule ainsi que les tranchées. g. Les antennes Al et A2 sont des antennes à formation de faisceaux (Beamforming antcnna) permettant de former des faisceaux pour ne communiquer qu'avec certains véhicules. Par exemple, si un véhicule (A) circulant sur la voie centrale d'une route suit un véhicule (B) un faisceau est formé pour que le véhicule (A) communique avec le véhicule (B). Si d'autres véhicules interviennent sur les autres voies par exemple un véhicule (D) sur la voie de gauche et un véhicule (C) sur la voie de droite, deux faisceaux sont alors formés, un faisceau pour que le véhicule (A) communique avec le véhicule (C) circulant sur la voie de droite et un faisceau pour que le véhicule (A) communique avec le véhicule (D) circulant sur la voie de gauche. Ainsi sont gérées les intentions de changement de voie de chaque véhicule. La capacité de Beamforrning confère aux communications une sécurité spatiale venant s'ajouter à la sécurité numérique. h. Les communications entre les véhicules A et B, A et C et A et D, permettent de déterminer sans équivoque les signatures des véhicules B, C et D. Elles déterminent s'il s'agit d'une voiture, d'un camion, d'un bus, d'une moto, d'un vélo ou d'un piéton. [0021] Les dessins annexés illustrent l'invention: [0022] [fig.1] Représente un schéma montrant la portée et l'ouverture des radars des systèmes communicants coopératifs actuels en rapport avec le tableau 1. [0023] [fig.2] Représente un schéma montrant la composition du dispositif de commu- nications coopératives de la présente invention. 7 [0024] [fig.3] Représente le dispositif de communications coopératives dc la présente invention, les faisceaux des antennes à formation de faisceaux (Beamforming antenna) détectant les bords de la route et la voie de circulation empruntée. [0025] [fig.4] Représente le dispositif de communications coopératives dc la présente invention, les faisceaux des antennes à formation de faisceaux (Beamforming antenna) détectant la présence d'un dos d'âne sur la voie de circulation. [0026] [fig.5] Représente le dispositif de communications coopératives dc la présente invention, les faisceaux des antennes à formation de faisceaux (Beamforming antenna) détectant la présence de nid de poule sur la voie de circulation. [0027] [fig.6] Représente le dispositif de communications coopératives dc la présente invention, les faisceaux des antennes à formation de faisceaux (Beamforming antenna) détectant la présence de tranchée sur la voie de circulation. [0028] [fig.7] Représente le dispositif de communications coopératives dc la présente invention, les faisceaux des antennes à formation de faisceaux (Beamforming antenna) détectant la présence de véhicules sur les trois voies contigües de circulation. 8 [Revendication 1] [Revendication 2]