Système de détection de mouvements d'animaux basé sur la radio détection de balises VHF

Mise à jour le 21 octobre 2006

Contexte :

Ce montage à été conçu pour aider à suivre l’arrivée ou le départ d'animaux, (ici, de manchots empereurs sur une manchotière en Antarctique) faisant partie d’un lot d’étude. Ceux-ci sont équipés de balises VHF permettant de les localiser facilement à l’aide d’une antenne unidirectionnelle (De type Yagi, portable). Le signal émit, (salves de 20 ms modulées à environ 4000 Hz, émises toute les secondes) peut être capté jusqu’à 15Km en champ libre.

Il est important de pouvoir capturer un animal avant qu’il ne se soit trop éloigné de la base ou à l’inverse, avant qu’il n’ait eu le temps de rejoindre la manchotière (Perturbations dans celle-ci lors d’une capture trop importantes pour envisager cette opération à ce moment-là). Cela impose à l’ornithologue de devoir effectuer des veilles VHF de toute les heures à toutes les 2 heures afin de vérifier l’éventuel départ ou arrivée d’un individu, et ce, de jour comme de nuit, quel que soient les conditions météo.

But du système :

Le détecteur se branche en sortie du récepteur VHF et une fois réglé sur le bon canal, est capable de signaler :

- L’apparition d’un signal trahissant l’arrivée d’un manchot sur la manchotière.

- Le changement d’intensité d’un signal avec la discrimination définissant l’approche ou le l’éloignement d’un individu ; Voir la disparition du signal.

- Dans le cas ou le signal faiblirait ou disparaîtrait : Un délais de réaction de l’ordre de quelque minutes est appliqué dans le cas ou un manchot passerait momentanément derrière l’un des icebergs ou autre obstacle se trouvant dans la manchotière, perturbant momentanément la réception du signal (le but est de limiter les fausses alertes).

- Un galvanomètre montre la baisse ou l’augmentation du signal (arrivée ou éloignement) tandis qu’une alarme sonore et lumineuse se charge de réveiller le veilleur afin que ce dernier vérifie si un manchot n’est pas effectivement en train d’arriver sur ou de quitter la manchotière.

- Le signal passe par un filtre passe-bande afin d’améliorer le rapport signal/bruit du récepteur (qui est de l’ordre de 10dB dans le pire des cas).

Remarque :

- Le système a été testé le 21 août 2006 avec succès sur le terrain (Antarctique) avec des cibles humaines.

Synoptique :

Synoptique de fonctionnement

 

Schéma de principe et fonctionnement :

Le schéma "100 % analogique" du montage

Alimentation et masse virtuelle :

L’alimentation est confiée au régulateur IC1 de +15V, type 7815 délivrant du 16,2V car sa tension de référence est relevée de 2 X 0,6V par le biais des diodes D2 et D3, quant à D1, elle protège le montage des inversions de polarités. C1 et C2 assurent le découplage de l’alimentation. Les amplis opérationnels étant alimentés en alimentation symétrique dans notre montage, une masse virtuelle est créée via IC2a. On relève sur sa sortie, patte 1, une tension égale à la moitié des 16,2V, depuis le pôle négatif de la pile. Les résistances R1 et R2 en entrée, divisent par 2 la tension d’alimentation de manière à ce que la tension de sortie en soit de même. Les capacités C3 et C4 découplent les tensions d’alimentation, notamment pour l’immunité aux parasites.

 

Filtre passe-bande :

Le signal débarrassé de sa composante continue via C7, arrive à l’entrée du filtre. P1, un ajustable multi tours de 100 Kohms permet d’ajuster l’amplitude du signal d’entrée. IC3a, IC3b et IC3c constituent un filtre passe bande du second ordre. Le gain du filtre est fixé à quelques unités au dessus de un. Il est possible d’augmenter le gain du filtre en augmentant les différentes résistances jouant sur la contre-réaction. Attention dans ce cas aux oscillations! La fréquence F0 du filtre est fixée à quelques 4200Hz principalement par le biais des condensateurs C5, C6 et C8.

Le signal sortant du filtre passe ensuite dans IC3d qui est monté en suiveur, pour adapter l’impédance du signal de sortie. D7 s’allume au gré du signal correctement reçu. D6 s’allume si l’amplitude du signal est proche de la saturation du filtre, vers les 7 volts. En cas de saturation, il serait alors impossible d’apprécier une hausse du signal dû à l’approche d’un manchot. Le détecteur de saturation a été ajouté sur cette version (2.0) du montage.

 

« Intégrateur » :

Il ne s’agit pas à proprement parler d’un véritable montage intégrateur mais plutôt d’un filtre passe bas. Dans le cas présent, le signal d’entrée: des trains d’impulsions sinusoïdaux (1 par seconde, d’une durée de 20ms pour une fréquence de 4100Hz) issus du filtre peuvent êtres considérés comme des impulsions de Dirac, dont l’intégrale est une droite de coefficient directeur nul. Ce filtre passe bas agit donc en quelque sorte comme un intégrateur (charge d’un condensateur au tantale).

Pourquoi avoir utilisé un condensateur au tantale? Parce que cette technologie jouit d’un très faible courant de fuite permettant d’intégrer des signaux sur de longues périodes (ici, de l’ordre de quelques minutes… à plus si besoin).

Le condensateur se charge via la diode D4 et se décharge dans la résistance R12 et l’ajustable P2, permettant de doser le temps d’intégration (augmenter la valeur de ces composants augmentera d’autant plus le temps d’intégration) Ce temps d’intégration est lié à la constance d’intégration T = (R12 + P2) X (C10 + C11 + C 12) et aux seuils d’alarmes définis par P4 et P5.

Il en résulte que la décharge du condensateur est ajustable et est plutôt «lente» compte tenu de la valeur des composants. Par contre sa charge est très rapide (limité pratiquement par l’impédance de sortie du suiveur IC3d, qui est de l’ordre de quelques dizaines d’ohms au plus). Le condensateur, du fait de sa faible valeur est rechargé avec seulement une à deux impulsions (signal de la balise) en entrée. Ainsi le but est de pouvoir détecter rapidement (en quelques secondes) une augmentation du signal d’entrée (résultant de l’approche d’un manchot) alors que la baisse du signal n’est prise en compte par le système qu’après plusieurs minutes, et ce, pour éviter les fausses alarmes dans le cas ou un manchot passerait momentanément derrière un obstacle (iceberg, roches…). Si le manchot quitte la manchotière, le montage le signalera avec un peu de retard, mais suffisamment tôt quand même pour pouvoir l’intercepter.

Ce signal, «redressé» en quelque sorte passe par un nouveau montage suiveur IC2b et ce, afin de ne pas décharger le condensateur par l’exploitation du signal.

 

Échantillonneur/bloqueur :

Une partie de la tension continue disponible en sortie de l’intégrateur est envoyée sur un échantillonneur/bloqueur à commande manuelle (bouton poussoir). Quand l’utilisateur appuie sur le bouton, le condensateur mémorise à cet instant la tension présente en sortie de l’intégrateur. Un autre suiveur, IC4a empêche toute décharge du condensateur lors de la mesure de la tension mémorisée.

 

Soustracteur :

La tension mémorisée est soustraite de la tension issue de notre intégrateur grâce à IC4b. En sortie de cette fonction, nous disposons d’une tension variant approximativement de – 8 à + 8 volts au maximum, selon la variation de l’intensité du signal d’entrée au cours du temps entre deux dates données.

Comme vu précédemment, la vitesse de variation due à l’éloignement du manchot est volontairement plus longue par rapport à son rapprochement. Quand l’utilisateur appuie sur le bouton, la tension aux bornes du condensateur de l’échantillonneur est la même que celle en sortie de l’intégrateur. L’amplificateur différentiel affiche donc une tension nulle en sortie. Au fur et à mesure que le manchot s’éloigne ou se rapproche du récepteur, la différence de tension entre les deux varie. Soit elle augmente en tension positive (éloignement), soit en tension négative (rapprochement).

L’image des mouvements du manchot peut être facilement représenté grâce à un galvanomètre à zéro central, avec une échelle arbitraire montrant l’importance de ces déplacements (Ne pas oublier qu’un obstacle entre le récepteur et l’animal affaiblira le signal et pourrait être considéré comme un éloignement, qui peu être infini). La sensibilité du galvanomètre est définie par P3. Il suffit de régler cet ajustable selon l’amplitude de la variation à exprimer. Ceci se fera sur le terrain, à la convenance de l’opérateur…

Sur le galvanomètre, une plage morte a été définie entre les graduations 0 et 1 afin de ne pas tenir compte des petits mouvements du manchot (pour aller boire de la neige, out tout simplement bouger au sein de la tortue). Cette plage morte est réalisée grâce à la caractéristique des diodes D8 et D9 placées en sortie du montage différentiel. Elles permettent également de s’affranchir des tensions d’offset des amplificateurs et des diverses autres dérives…

Comparateur à fenêtre :

Les deux derniers amplificateurs opérationnels, IC4c et IC4d, sont montés chacun en comparateurs et mis en cascade formant ce qu’il est commun d’appeler un «comparateur à fenêtre». Deux seuils ajustables par P4 et P5 sont définis, l’un négatif (de 0 à -8,1V), l’autre positif (de 0 à +8,1V).

Si l’éloignement ou le rapprochement excessif du manchot se traduisent par une tension (donc un déplacement) dépassant une des deux bornes fixées, le comparateur concerné fera passer sa sortie à «1», ce qui déclenchera une alarme sonore et visuelle. Les comparateurs ont chacun un léger hystérésis introduits par les résistances R21 et R22 afin de rendre les déclenchements plus «francs». D10 et D11 réalisent un «OU» logique afin de protéger la sortie des amplificateurs opérationnels.

L’acquittement de l’alarme se fait par appui sur le bouton reset, ramenant par la même occasion au milieu l’aiguille du galvanomètre vu qu’une nouvelle référence de position est prise en compte. L’utilisateur pourra, à ce moment là, constater la continuité de l’éloignement / rapprochement de l’animal… Ou peut-être un changement de décision de la part de ce dernier?

 

Mise en œuvre :

La réalisation du typon et le soudage des composants ne présenteront aucune difficulté à tout électronicien qu’il soit amateur ou chevronné. Attention, R21 et R22 sont soudées côté cuivre. Ne pas oublier le fil qui relie les 2 points «A» comme indiqué sur l’implantation des composants; souder celui-ci avant IC2. Attention au sens des composants, les condensateurs polarisés ont leur polarité «+» marquée sur le circuit imprimé par un petit signe «+». Une fois mis en route, le montage consomme moins de 60 mA.

Toutefois, certaines difficultés peuvent se présenter lors des tests et de l’utilisation :

Réglages et utilisation :

 

Un exemple de façade pour le galvanomètre

 

Dans la pratique, deux cas peuvent se présenter:

Si l’on a un signal audible: «Bip… Bip… Bip… Bip…» (Manchot à portée).

 

1. Régler le volume BF du récepteur VHF au minimum.

2. Augmenter le volume du récepteur (et / ou P1) jusqu’à obtention de l’allumage cyclique et régulier de la led «Signal», en accord avec la fréquence des «bips» émis par le haut parleur du récepteur. La led «saturation» doit rester éteinte. L’alarme peu se déclencher, mais ce n’est pas gênant.

3. Si la led «signal» ne s’allume pas, ou si elle «scintille», c’est que le filtre n’est pas accordé avec la fréquence des bips reçus. Dans ce cas, réglez le volume du récepteur (ou P1) pour être un peu en dessous du seuil d’allumage (erratique) de la led, puis ajustez sur le récepteur VHF le bouton «fine tuning» ou «BF fréquence» pour faire varier la fréquence des bips (la tonalité doit aussi varier dans le haut parleur du récepteur). Ajustez le réglage sur une plage de signal BF autours de 4 KHz jusqu'à «l’accrochage» du filtre. Baissez le volume pour éteindre la led et affinez la fréquence (essayez de ré allumer la led) pour optimiser le réglage du filtre.

Remarque, cette «optimisation» peu être également utile même dans le cas où la led «signal» s’allume correctement d’origine.

Si l’on ne reçoit pas de signal audible, (Pas de manchot a portée).

 

1. Tournez le bouton du volume du récepteur (ou P1) jusqu'à ce que la led «signal» s’allume (peu importe son comportement seille s’allume!).

2. Revenez légèrement en arrière: La led s’étend…

Remarque, si la led ne s’allume pas, laissez le volume à fond. (En pratique, cela implique la présence d’aucuns parasites F, ce qui est purement utopique, à moins que votre récepteur ne soit équipé d’un silencieux). Si l’on reçoit un signal, le filtre sera peut être très vite saturé, (la led «saturation» s’allumera) ce qui déclenchera obligatoirement l’alarme, et donc, l’objectif sera également remplit.

 

Typon et implantation des composants :

 

Implantation des composants (Attention, au strap à ne pas oublier en rouge)

 

Le circuit imprimé. La lettre B signifie buzzer

 

Photos du montage :

Le montage final avec à droite la balise et son aimant d'activation

 

Le montage, à l'allure de manchot, une fois les composants soudés. Attention, il ne s'agit ici pas de la version finale !

 

Un exemple à imprimer de façade pour le galvanomètre

 

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