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Robot de reconnaissance et de surveillance tout-terrain
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Constitution du sujet
. Texte 3
. Documents techniques 17
. Documents réponses 20 Le sujet comporte 23 questions. Les documents réponses DR1 et DR2 sont à rendre avec les copies. Introduction
La maîtrise et la qualité de l'air dans un bâtiment nécessite d'avoir un
réseau aéraulique[1] en bon état de fonctionnement. Un dysfonctionnement de
celui-ci peut entraîner une contamination de l'air ou bien une
surconsommation d'énergie.
Plusieurs entreprises ont développé des robots pour évaluer l'état des
conduites dans les bâtiments, en vérifiant notamment le niveau
d'empoussièrement et en diagnostiquant les problèmes d'étanchéité.
Une entreprise française souhaite étendre sa gamme de produits robotisés en
proposant un robot capable de réaliser des opérations d'inspection sur tout
type de terrains.
Ce robot doit être capable d'inspecter des canalisations, des gaines mais
aussi tout type d'obstacles que l'on peut rencontrer dans un bâtiment. Ces
capacités de franchissement doivent permettre d'élargir son champ
d'application à des opérations de reconnaissance et de surveillance. Architecture du robot
1 robot constitué de quatre modules Le robot est constitué de 4 modules (figure 1) :
- le module 1, doté d'un moto-réducteur, permet au robot de changer de
direction ;
- le module 2, équipé d'une batterie d'accumulateurs, permet de subvenir
aux besoins énergétiques du robot ;
- le module 3, équipé d'un moto-réducteur, assure la propulsion du robot
en délivrant, par le biais d'une transmission, une énergie mécanique
de rotation aux quatre essieux ;
- le module 4, équipé d'un moto-réducteur, permet au robot de s'arquer
ou de se cabrer (figure 2).
2 robot cabré (à gauche), robot arqué (à droite) Les modules 1 et 4 sont équipés à l'identique avec divers éléments,
indiqués sur la figure 3, permettant de faire l'acquisition de différentes
grandeurs physiques. 3 équipement avant et arrière La figure 4 représente les échanges d'information mis en ?uvre lors du
pilotage du robot. Les consignes de mouvements de l'utilisateur (repère 1)
sont transmises à l'ordinateur de contrôle par l'intermédiaire de la
console de commande (repère 2). L'ordinateur de contrôle génère une trame
de commande afin qu'elle soit transmise au robot par la station émettrice
(repère 3).
Pour rendre le pilotage optimal, certaines informations sur l'état du robot
(position arquée ou cabrée, vitesses de déplacements, autonomie,...) sont
renvoyées (repère 4) vers l'ordinateur de contrôle. Ces informations sont
affichées sur l'écran de l'ordinateur pour les rendre exploitables par
l'utilisateur (repère 6).
Les vidéos prises par les différentes caméras embarquées, sont quant à
elles transmises en mode continu sur un canal spécifique (repère 5) vers la
station puis vers l'ordinateur. Le pilotage
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4 éléments permettant le pilotage et flux d'informations
Afin de savoir si ce robot possède toutes les qualités requises pour
effectuer la mission pour laquelle il est prévu, il est nécessaire de
s'interroger sur :
- les performances de franchissement d'obstacles ;
- l'autonomie énergétique ;
- la capacité à transporter du matériel d'exploration ;
- la capacité à évoluer à des vitesses lentes pour des explorations
minutieuses. 1. Besoin et performances de franchissement identifier les solutions technologiques et évaluer les capacités de
franchissement vertical. Le robot a pour fonction principale d'explorer un lieu. Pour cela, deux
fonctions techniques sont nécessaires :
- se déplacer ;
- renseigner l'utilisateur.
1. Énumérer, pour ces deux fonctions techniques, les constituants
réalisant les solutions technologiques retenues par le constructeur.
Le constructeur souhaite que le robot soit capable de franchir une marche
de 300 mm de hauteur.
5 schéma de principe permettant le cabrage du robot Pour franchir des marches avec plus de facilité, le robot va devoir se
cabrer. Cette fonction est rendue possible grâce à un moto-réducteur qui
entraîne en rotation un tambour, sur lequel s'enroulent et se déroulent
deux câbles en acier. Lors de la rotation du tambour, le câble (a)
s'enroule pendant que le câble (b) se déroule de la même longueur. La
tension du câble et les articulations entre les modules permettent au robot
de se cabrer (figure 6).
6 robot cabré Pour franchir une marche, le robot se cabre, et continue d'avancer. Arrivé
en contact avec la marche, il bascule sur les roues arrières optimisant
ainsi la capacité de franchissement.
7 étapes de franchissement d'une marche La rotation des modules les uns par rapport aux autres est limitée par
butée. Les angles maximaux de rotation des modules les uns par rapport aux
autres sont indiqués figure 8.
8 angles maximaux de rotation des modules les uns par rapport aux autres R les points C, D et E sont les centres respectifs des liaisons entre
les modules 1 et 2, 2 et 3, 3 et 4. Quand la structure du robot est
horizontale, les points C, D et E sont alignés avec le centre des
roues.
2. Indiquer quelle doit être la mobilité dans les liaisons, de centre
C,D et E, permettant au robot de se cabrer. 3. Représenter les deux angles de rotation (36°, 35°) entre les modules
sur les deux figures du document réponses DR1. L'angle ? = 10° entre le plan horizontal et le segment [HD] est indiqué sur
le document réponse DR1. Le diamètre des roues est égal à 110 mm.
4. Calculer la valeur des angles ? et ? représentés sur le document
réponses DR1 puis calculer la hauteur de franchissement garantie h.
Évaluer l'écart avec la valeur annoncée par le constructeur et
proposer si besoin, une solution simple qui permettrait de répondre
au cahier des charges.
2. Bilan énergétique du robot estimer l'autonomie du robot lors d'un déplacement type, vérifier la
pertinence du choix du point de fonctionnement du moto-réducteur.
Déterminer la trame émise par le robot qui déclenchera une alarme indiquant
une charge insuffisante de la batterie. La figure 9 présente l'évolution de l'intensité délivrée par la batterie du
robot lors d'une séquence d'observation vidéo et de déplacement à vitesse
maximale. La distance totale parcourue lors de cet essai est de 5 mètres.
Plusieurs phases sont à distinguer :
- phase 1, démarrage et déplacement sur un plan horizontal ;
- phase 2, avance et braquage à droite ;
- phases 3 et 5, déplacement en ligne droite sur un plan horizontal ;
- phase 4, avance et braquage à gauche ;
- phase 6, déplacement en ligne droite sur un plan incliné à 30° ;
- phase 7, le robot est en phase d'observation statique (vidéo,
télémétrie...).
Soit Ix moy l'intensité moyenne correspondant à la phase x.
I1 moy = 3,7 A I2 moy = 7,2 A I3 moy = I5 moy = 3,5 A I4 moy =
7 A I6 moy = 5,3 A
9 intensité délivrée par la batterie en fonction du temps durant l'essai Durant cet essai, la valeur de la tension aux bornes de la batterie est
considérée constante et égale à 15 V. La batterie est constituée de 4
cellules MP 176065, branchées en série. Les principales caractéristiques
électriques d'une cellule MP 176065 sont :
- tension nominale 3,75 V - tension de fin de charge 4,2
± 0,05 V
- capacité nominale 6,8 A·h - tension de coupure 2,5 V
R caractéristiques pour une décharge à courant constant de 1,4 A à
20° C. Le robot doit avoir une autonomie de 2 heures et être télé-opérable sur une
distance de 300 m.
5. Relever sur la figure 9 la valeur du courant électrique Io lorsque
le robot ne se déplace pas. Justifier qualitativement la valeur
trouvée. La décharge de la batterie est supposée se faire à courant constant.
6. Calculer l'énergie nominale stockée par la batterie Wbat . Calculer
l'énergie consommée Wcons lors du déplacement type décrit
précédemment (phase 1 à phase 6). 7. Calculer l'autonomie du robot tauto (en minutes) s'il n'effectue que
des parcours types (figure 9), ainsi que la distance d qu'il est
possible d'effectuer pour un déplacement type. Justifier l'écart
observé entre les données du constructeur et les résultats du calcul
proposé. Pour affiner l'estimation de l'autonomie, le modèle multi-physique de la
figure 10 a permis d'obtenir l'allure de la décharge de la batterie figure
11 en tenant compte des différentes variations du courant observées figure
9. 10 modèle multi-physique de la chaîne de propulsion 11 décharge de la batterie fournie par la modélisation 8. Comparer l'autonomie trouvée par la modélisation avec l'autonomie
calculée précédemment. Donner une explication à cette différence
sachant dans la modélisation (figure 11) la décharge de la batterie a
été supposée à courant constant. Le robot utilisant une énergie embarquée, on souhaite vérifier que le choix
du point de fonctionnement est optimal.
9. Déterminer, à partir de la figure 9 et de la valeur de Io , la valeur
de l'intensité (Ietabli) absorbée en ligne droite, sur le plat par le
moteur-réducteur de propulsion en régime établi. Déterminer le
rendement du moto-réducteur à pa