L’objectif de ce travail est la modélisation et la réalisation d’un détecteur inductif en utilisant la technique de balayage de fréquence qui apporte une approche différente pour discriminer entre les différents métaux. Dans l’étape de modélisation, nous avons proposé un modèle analytique du système et une étude numérique par la méthode des éléments finis. Nous avons utilisé les algorithmes génétiques pour le dimensionnement optimal du détecteur et les réseaux de neurones pour résoudre le problème inverse. Le détecteur inductif réalisé est constitué d’une bobine de transmission et deux bobines de réception montées en mode différentiel. La réalisation du prototype a été effectuée et le modèle élaboré est validé par les résultats expérimentaux.
Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
PREMIER CHAPITRE : GÉNÉRALITÉS SUR LES MÉTHODES DE DÉTECTION DES OBJETS ENFOUIS
I.1 INTRODUCTION
I.2 DÉMINAGE HUMANITAIRE
I.3 MÉTHODES DE DÉTECTION DES OBJETS ENFOUIS
I.3.1 Thermographie infrarouge
I.3.1.1 Principe de la thermographie infrarouge
I.3.1.2 Application de la thermographie infrarouge à la détection des objets enfouies
I.3.1.2.1 Thermographie infrarouge passive
I.3.1.2.2 Thermographie infrarouge active
I.3.2 Magnétométrie
I.3.2.1 Boucles sans noyau
I.3.2.2 Barres fluxmètres
I.3.3 Radar à pénétration de sol (GPR)
I.3.3.1 Principe du GPR.
I.3.3.2 Données du GPR
I.3.4 Détecteur de métaux
I.3.4.1 Type de détecteurs
I.3.4.1.1 Détecteur de métaux à battement de fréquences
I.3.4.1.2 Détecteur de métaux à induction pulsée
I.3.4.1.3 Détecteur de métaux à très basse fréquence
I.4 CONCLUSION
DEUXIEME CHAPITRE : MODÉLISATION D’UN DÉTECTEUR INDUCTIF À BALAYAGE DE FRÉQUENCE
II.1 INTRODUCTION
II.2 DETECTION ELECTROMAGNETIQUE D'OBJETS METALLIQUES
II.2.1 Détecteur de Métaux
II.3 PRINCIPES DE BASE
II.3.1 Induction
II.3.2 Comportement du champ magnétique
II.3.3 Configurations de la bobine
II.4 MODÉLISATION D’INDUCTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE AVEC LA CIBLE
II.5 CONCLUSION
TROISIEME CHAPITRE : MODÉLISATION PAR LA MÉTHODE DES ÉLÉMENTS FINIS DU SYSTÈME DE DÉTECTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE
III.1 INTRODUCTION
III.2 MODÉLISATION DU SYSTÈME DE DÉTECTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE
III.2.1 Différents types de modélisation
III.2.1.1 Modélisation interne
III.2.1.2 Modélisation externe
III.3 ÉQUATIONS DE MAXWELL
III.3.1 Conditions de passage
III.3.2 Conditions aux limites
III.4 FORMULATION UTILISANT LE POTENTIEL VECTEUR MAGNÉTIQUE
III.4.1 Modèle magnétodynamique
III.5 MÉTHODES DE RÉSOLUTION
III.5.1 Méthodes analytiques
III.5.2 Méthodes numériques
III.5.2.1 Résolution par la méthode des éléments finis
III.5.2.1.1Formulation résidus pondérés
III.5.2.1.2Démarche de la méthode des éléments finis
III.5.2.2 Organigramme de calcul par éléments finis
III.6 METHODE D'OPTIMISATION POUR LE DIMENSIONNEMENT DU DETECTEUR DE METAUX
III.6.1 Algorithme génétique
III.6.1.1 Principe et définition
III.6.1.1.1Codage des variables
III.6.1.1.2Initialisation
III.6.1.1.3Fonction Objective
III.6.1.1.4Reproduction
III.6.1.1.5Convergence
III.7 CONCLUSION
QUATRIEME CHAPITRE : CONCEPTION ET RÉSULTATS DE SIMULATION
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 CONCEPTION ET OPTIMISATION D’UN DETECTEUR DE METAUX
IV.2.1 Dimensions du détecteur et démarche de conception
IV.2.1.1 Cahier de charges
IV.2.1.2 Paramètres globaux du détecteur de métaux
IV.2.1.3 Critère d’optimisation
IV.2.2 Processus de conception par un algorithme génétique combiné avec la MEF
IV.2.3 Résultats d’optimisation
IV.2.3.1 Evolution des paramètres optimisés en fonction des générations
IV.2.3.2 Paramètres géométriques du détecteur de métaux optimisé
IV.3 CARACTERISTIQUES DU DETECTEUR DE METAUX
IV.3.1 Caractéristiques physiques
IV.3.2 Domaine de résolution et condition aux limites
IV.3.3 Maillage du domaine d’étude
IV.4 APPLICATIONS ET RESULTATS
IV.4.1 Calcul de la tension du détecteur de métaux (f.é.m induite)
IV.4.2 Application pour une sphère en acier de rayon 2 cm
IV.4.3 Influence de variations des caractéristiques physiques et géométriques sur le signal de réponse du détecteur
IV.4.4 Influence de la distance sur le signal de réponse du détecteur
IV.4.5 Validation numérique
IV.4.6 Étude de la bobine d’émission
IV.4.6.1 Calcul de l'impédance
IV.5 CONCLUSION
CINQUIEME CHAPITRE : TRAITEMENT DU PROBELEME INVERSE ET RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
V.1 INTRODUCTION
V.2 PROBLEME INVERSE
V.2.1 Inversion itérative
V.2.2 Inversion directe
V.3 INVERSION PAR RESEAUX DE NEURONES
V.3.1 Neurone formel
V.3.2 Réseaux de neurones
V.3.3 Apprentissage des réseaux de neurones MLP
V.3.3.1 Apprentissage supervisé
V.3.3.2 Apprentissage non supervisé
V.4 RESOLUTIONS ET APPLICATIONS
V.4.1 Application pour une sphère en cuivre
V.4.2 Application pour une sphère en acier
V.5 RÉALISATION DU PROTOTYPE
V.5.1 Bobinage
V.5.2 Schéma du montage
V.5.3 Circuit de l’alimentation
V.5.4 Circuit de traitement et d’affichage
V.5.5 Banc d’essai expérimental
V.5.6 Filtrage des signaux reçus
V.6 LES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
V.6.1 Influence de la présence d’un métal
V.6.2 Comparaison des résultats expérimentaux avec les résultats de simulation
V.6.3 Signature des différents objets
V.7 CONCLUSION
Objectifs et thèmes de recherche
L'objectif principal de ce travail est d'explorer une technique de détection à balayage de fréquence pour identifier divers types de cibles métalliques enfouies, caractérisées par des paramètres physiques et géométriques différents. La recherche vise à optimiser la conception d'un détecteur inductif et à utiliser des réseaux de neurones pour résoudre les problèmes inverses de détection et de discrimination des objets.
- Modélisation électromagnétique et analytique de détecteurs inductifs.
- Optimisation des paramètres de conception par algorithmes génétiques et méthode des éléments finis (MEF).
- Résolution du problème inverse à l'aide de réseaux de neurones (MLP).
- Réalisation d'un prototype expérimental avec traitement de signal embarqué (dsPIC).
- Comparaison des résultats théoriques, numériques et expérimentaux pour la validation du système.
Auszug aus dem Buch
I.2 DÉMINAGE HUMANITAIRE
Les mines terrestres ont été mises au point avant le vingtième siècle, mais n’ont commencé à être utilisées systématiquement par de nombreux groupes et forces armées qu’à partir de la seconde guerre mondiale, notamment en raison de leur faible coût et de leur redoutable efficacité. Tout d’abord destinées à protéger les champs de mines antichars, les mines antipersonnel ont été progressivement détournées pour canaliser ou provoquer des mouvements de population. A partir des années 70, elles sont devenues des armes offensives destinées à terroriser les populations [2].
Dans leur version la plus simple, les mines antipersonnel sont des pièges explosifs déclenchés par les victimes elles-mêmes. Une mine est composée d’une certaine quantité d’explosif contenue dans un corps (habituellement composé de métal, de matière plastique ou de bois) et d’un mécanisme d’amorçage destiné à provoquer l’explosion. Les experts regroupent habituellement les mines antipersonnel en quatre sous-catégories selon la façon d’infliger les blessures à savoir les mines à effet de souffle, les mines à fragmentation, les mines bondissantes et les mines à effet dirigé [5].
Auparavant, le nombre de mines actives a été estimé à 100 millions, mais ce chiffre a été très contesté et les tentatives d’estimation relèvent plutôt de la spéculation. Ce qui est certain en revanche, c’est que les mines terrestres continuent de faire des victimes humaines, aussi bien durant les conflits qu’après, et surtout dans la population civile. Selon l’Organisation Non Gouvernementale Handicap International, les mines sont dispersées sur 84 états et tuent ou mutilent 15 000 à 20 000 nouvelles victimes par an, soit une toutes les 30 minutes. Parmi les victimes, 75 % sont des civils dont 29 % sont des enfants (estimation pour la période mai 2004 — mai 2005). Cependant, le risque inhérent aux mines terrestres dépasse largement le fait de tuer, mutiler et blesser des milliers de personnes chaque année. Les conséquences sociales, économiques et environnementales de ces armes perdurent et sont souvent graves [2].
Résumé des chapitres
PREMIER CHAPITRE : GÉNÉRALITÉS SUR LES MÉTHODES DE DÉTECTION DES OBJETS ENFOUIS : Ce chapitre présente l'historique du déminage humanitaire et passe en revue les différentes méthodes de détection des objets enfouis, justifiant le choix du détecteur étudié.
DEUXIEME CHAPITRE : MODÉLISATION D’UN DÉTECTEUR INDUCTIF À BALAYAGE DE FRÉQUENCE : Ce chapitre se concentre sur les principes physiques de l'induction électromagnétique et propose un nouveau modèle analytique d'un détecteur inductif à balayage de fréquence.
TROISIEME CHAPITRE : MODÉLISATION PAR LA MÉTHODE DES ÉLÉMENTS FINIS DU SYSTÈME DE DÉTECTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE : Ce chapitre détaille la modélisation électromagnétique basée sur les équations de Maxwell, la résolution par la méthode des éléments finis et l'optimisation des structures via les algorithmes génétiques.
QUATRIEME CHAPITRE : CONCEPTION ET RÉSULTATS DE SIMULATION : Ce chapitre présente le processus de conception optimisée du détecteur, ainsi que les résultats des simulations numériques sous MATLAB et ANSYS Maxwell2D concernant les performances du capteur.
CINQUIEME CHAPITRE : TRAITEMENT DU PROBELEME INVERSE ET RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX : Ce chapitre traite de la résolution du problème inverse par réseaux de neurones, la réalisation du prototype, et la validation expérimentale comparant les mesures réelles aux simulations.
Mots-clés
détecteur inductif, balayage de fréquence, induction électromagnétique, déminage humanitaire, méthode des éléments finis, optimisation, algorithmes génétiques, problème inverse, réseaux de neurones, MLP, modélisation, prototype, signature d'objets, discrimination métallique.
Foire aux questions
Quel est le sujet principal de cet ouvrage ?
Le travail porte sur la conception, la modélisation et la réalisation d'un détecteur de métaux inductif utilisant la technique du balayage de fréquence pour améliorer la détection et la discrimination des objets enfouis.
Quels sont les domaines d'application abordés ?
L'ouvrage traite principalement du déminage humanitaire, mais les principes abordés s'appliquent également à l'archéologie, à la détection d'objets métalliques domestiques et au contrôle industriel.
Quel est l'objectif scientifique de ce mémoire ?
L'objectif est de maximiser la force électromotrice induite pour permettre une meilleure identification et discrimination de la nature des objets métalliques, tout en réduisant les fausses alarmes liées aux minéralisations du sol.
Quelle méthode numérique est privilégiée ?
La recherche utilise principalement la méthode des éléments finis (MEF) pour la simulation des interactions électromagnétiques et l'optimisation géométrique des bobines du détecteur.
Comment est résolu le problème inverse ?
Le problème inverse, qui consiste à retrouver les caractéristiques de la cible à partir du signal reçu, est résolu en utilisant des réseaux de neurones artificiels de type Perceptron multicouche (MLP).
Quelles sont les performances obtenues par le prototype ?
Le prototype réalisé permet la détection d'objets ferreux jusqu'à une profondeur de 40 cm et offre des capacités de discrimination et d'identification de la nature des métaux.
Qu'est-ce que le balayage de fréquence apporte de plus qu'un détecteur standard ?
Contrairement aux détecteurs classiques, le balayage de fréquence permet d'obtenir une signature spectrale de l'objet, offrant ainsi des informations plus complexes sur sa nature, sa taille et son matériau.
Quel rôle jouent les algorithmes génétiques ici ?
Les algorithmes génétiques sont utilisés pour automatiser l'optimisation topologique et dimensionnelle des bobines du détecteur afin d'atteindre les meilleures performances possibles en termes de signal induit.
- Citar trabajo
- Ahmed Chaouki Lahrech (Autor), 2013, Étude et optimisation d’un système de détection et de discrimination de métaux par induction électromagnétique, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/454900
