Sciences de l'Ingénieur - Bac 2021
Métropole - Session normale
Epreuve du 16 juin 2021
Consigne officielle
Le candidat traite les exercices proposés.
Exercice 1
Enonce
Étude d'un robot aspirateur autonome - Analyse du système de navigation
Traitez ce sujet de manière complète et argumentée.
Criteres d'evaluation
Methode
Pour résoudre un exercice sur l'analyse d'un système de navigation robotique, il faut adopter une démarche systémique. Commencez par identifier clairement la fonction principale du système (ici, la navigation autonome). Analysez ensuite la chaîne d'information et la chaîne d'énergie séparément. Pour la chaîne d'information, détaillez le processus depuis l'acquisition des données par les capteurs jusqu'à la prise de décision par l'algorithme, en passant par le traitement et le conditionnement des signaux. Pour la chaîne d'énergie, identifiez les actionneurs et leur commande. Enfin, évaluez les performances du système (précision, robustesse) et ses limites. Structurez votre réponse en liant les notions d'automatisation, de capteurs et d'algorithmes de manière cohérente, en expliquant comment elles interagissent pour réaliser la fonction globale.
Points cles
- 1Architecture du système : Un robot aspirateur autonome est un système automatisé complexe. Il est composé d'une chaîne d'information (capteurs, unité de traitement, algorithmes) et d'une chaîne d'énergie (moteurs des roues, moteur de l'aspirateur, batterie). La navigation repose sur la boucle fermée : acquisition -> traitement -> décision -> action -> correction.
- 2Rôle des capteurs : Les capteurs sont les organes de perception. Les principaux sont : les télémètres à infrarouge ou ultrasons pour la détection d'obstacles à courte distance, les bumpers (contact) pour les collisions, les encodeurs incrémentaux sur les roues pour l'odométrie (estimation de la position), et souvent un capteur à effet Hall pour détecter les stations de charge. Leur précision et leur fiabilité sont critiques.
- 3Algorithmes de navigation et de cartographie : L'algorithme est le 'cerveau'. Il traite les données des capteurs pour construire une représentation de l'environnement (cartographie simultanée - SLAM). Il planifie ensuite un trajet de couverture complète (algorithme en zigzag, spirale, ou parcours en salle par salle) tout en évitant les obstacles de manière réactive (algorithme d'évitement type 'Potential Field' ou 'Bug').
- 4Boucle de régulation et automatisation : Le déplacement est assuré par une régulation de la vitesse et/ou de la position des roues motrices. Un asservissement en vitesse permet de maintenir une vitesse constante malgré les variations de charge (tapis, moquette). Un asservissement en position, couplé à l'odométrie, tente de corriger la trajectoire. L'automatisation est complète car le cycle (cartographie, nettoyage, retour à la base) se fait sans intervention humaine.
- 5Limites et améliorations possibles : Les limites incluent l'accumulation d'erreurs d'odométrie (dérive), la difficulté à détecter certains obstacles (câbles noirs, surfaces vitrées), et les zones inaccessibles. Les améliorations peuvent être l'ajout d'une caméra pour une meilleure cartographie, l'utilisation de balises, ou des algorithmes de nettoyage plus intelligents basés sur le niveau de salissure.
Exercice 2
Enonce
Dimensionnement énergétique d'une trottinette électrique
Traitez ce sujet de manière complète et argumentée.
Criteres d'evaluation
Methode
Pour dimensionner énergétiquement une trottinette électrique, il faut adopter une démarche systématique en trois phases. Premièrement, analyser les besoins énergétiques du déplacement en identifiant toutes les forces résistantes (frottement, roulement, aérodynamique, pente) et en calculant le travail ou la puissance nécessaire pour les vaincre. Deuxièmement, modéliser la chaîne d'énergie complète : de la batterie (énergie électrique chimique) au moteur (conversion en énergie mécanique), en passant par les éventuels réducteurs et en tenant compte des rendements de chaque conversion. Troisièmement, effectuer un bilan énergétique pour déterminer la capacité de batterie requise (en Wh) en fonction de l'autonomie souhaitée et des pertes. Cette approche nécessite de bien distinguer puissance instantanée et énergie sur un trajet, et de toujours vérifier la cohérence des unités.
Points cles
- 1Identification des forces résistantes : L'énergie consommée sert à compenser les forces qui s'opposent au mouvement. Les principales sont la force de roulement (liée au poids et au coefficient de roulement), la force aérodynamique (proportionnelle au carré de la vitesse) et la force due à la pente (composante du poids). Il est crucial de les lister et de calculer leur résultante.
- 2Calcul du travail et de la puissance mécanique nécessaire : Le travail W (en Joules) de la force motrice sur une distance d est W = F_totale * d. La puissance mécanique P_mec (en Watts) est P_mec = F_totale * v, où v est la vitesse. Ces calculs donnent les besoins au niveau de la roue.
- 3Chaîne d'énergie et rendements : L'énergie ne vient pas directement de la batterie à la roue. Il faut considérer les rendements du moteur électrique (η_moteur), de l'électronique de puissance (η_convert), et de la transmission mécanique (η_trans). La puissance électrique à prélever sur la batterie est P_elec = P_mec / (η_moteur * η_convert * η_trans).
- 4Bilan énergétique et autonomie : L'énergie électrique E_elec consommée pour un trajet est le produit de la puissance électrique moyenne par la durée Δt du trajet : E_elec = P_elec_moy * Δt. L'autonomie en distance D_max est liée à la capacité de la batterie E_batt (en Wh) et à la consommation énergétique au km : D_max = E_batt / (E_elec / distance_du_trajet).
- 5Caractéristiques de la batterie : La capacité est souvent donnée en Ampère-heures (Ah). Il faut la convertir en Watt-heures (Wh) en multipliant par la tension nominale de la batterie (U) : E_batt (Wh) = U(V) * C(Ah). C'est cette valeur en Wh qui est comparée à l'énergie consommée calculée.
Exercice 3
Enonce
Programmation d'un système domotique
Traitez ce sujet de manière complète et argumentée.
Criteres d'evaluation
Methode
Pour résoudre un exercice de programmation domotique, il faut d'abord analyser le cahier des charges pour identifier les capteurs, actionneurs et les comportements attendus du système. Ensuite, on établit un diagramme des flux (algorigramme) pour visualiser la logique de programmation avant de coder. La programmation doit être modulaire avec des fonctions bien définies pour chaque tâche (acquisition, traitement, commande). Il est essentiel de prévoir la gestion des erreurs et des cas limites (valeurs aberrantes des capteurs, déconnexion). Enfin, on teste chaque fonction séparément puis l'ensemble du système avec des jeux de données variés pour valider son bon fonctionnement dans toutes les situations spécifiées.
Points cles
- 1Analyse du besoin : Identifier précisément les entrées (capteurs : température, luminosité, présence) et les sorties (actionneurs : volets, lampes, chauffage) du système, ainsi que les contraintes (seuils, temporisations, interactions).
- 2Conception de l'algorithme : Élaborer un algorigramme ou un organigramme détaillant la séquence des opérations, les conditions (si...alors...sinon) et les boucles (tant que, pour) qui structurent le programme. C'est la phase de modélisation essentielle avant le codage.
- 3Programmation structurée : Utiliser des fonctions ou des procédures pour découper le programme en blocs logiques (ex: une fonction 'gérer_éclairage', une fonction 'surveiller_température'). Cela améliore la lisibilité, la maintenance et le débogage.
- 4Gestion des entrées/sorties (E/S) : Comprendre et implémenter correctement la lecture des états des capteurs (souvent des valeurs analogiques ou numériques) et la commande des actionneurs (généralement via des sorties tout ou rien ou PWM). Vérifier les niveaux logiques et les protocoles de communication.
- 5Test et validation : Tester unitairement chaque fonction, puis procéder à des tests d'intégration pour vérifier le comportement global. Simuler des scénarios variés (jour/nuit, occupation/absence, valeurs limites) pour s'assurer de la robustesse du système.
