Sciences de l'Ingénieur - Bac 2024
Métropole - Session normale
Epreuve du 19 juin 2024
Consigne officielle
Le candidat traite les exercices proposés.
Exercice 1
Enonce
Système d'assistance au stationnement - Capteurs et traitement
Traitez ce sujet de manière complète et argumentée.
Criteres d'evaluation
Methode
Pour résoudre un exercice sur les systèmes d'assistance au stationnement, il faut adopter une démarche systémique. Commencez par analyser le besoin fonctionnel : quelle est la fonction principale du système (détection d'obstacles, mesure de distance, alerte au conducteur). Identifiez ensuite la chaîne d'information complète : acquisition (capteurs), traitement (conditionnement, filtrage, traitement numérique), communication (vers l'interface utilisateur). Pour chaque capteur envisageable (ultrasons, caméras, radars, lidars), évaluez ses caractéristiques techniques (précision, portée, sensibilité aux conditions environnementales) en lien avec les contraintes du stationnement (distances courtes, angles morts). Analysez les traitements nécessaires : filtrage des signaux parasites, conversion analogique/numérique, algorithmes de détection. Enfin, évaluez la performance globale du système et ses limites. Documentez chaque étape avec des schémas fonctionnels et des justifications techniques.
Points cles
- 1Identification des capteurs adaptés : Les systèmes de stationnement utilisent principalement des capteurs à ultrasons pour leur coût modéré et leur efficacité sur courtes distances (typiquement 0,2 à 2,5 m). Il faut connaître leur principe : émission d'une onde ultrasonore et mesure du temps de retour pour calculer la distance via la célérité du son. Les caméras (pour la vision de recul) et les radars (pour des fonctions plus avancées) peuvent aussi être évoqués en précisant leurs avantages/inconvénients comparatifs.
- 2Traitement du signal des capteurs à ultrasons : Le signal reçu est faible et bruité. Un conditionnement est nécessaire : amplification, filtrage passe-bande (pour éliminer les fréquences non pertinentes), et souvent détection d'enveloppe. Le traitement numérique (par un microcontrôleur) permet de mesurer précisément le temps de vol (Time-of-Flight) et de calculer la distance : d = (c * Δt) / 2, où c est la célérité du son dans l'air (~340 m/s) et Δt le temps entre l'émission et la réception de l'écho.
- 3Gestion des incertitudes et du bruit : La précision de la mesure est affectée par la température (qui influence c), l'angle de réflexion de l'onde, et les perturbations acoustiques. Il faut mettre en œuvre des méthodes pour améliorer la fiabilité : moyennage de plusieurs mesures, seuillage de détection, et compensation thermique (en mesurant la température pour ajuster la valeur de c dans le calcul).
- 4Interface avec l'utilisateur (commande et affichage) : Le système doit traduire la distance mesurée en information utile pour le conducteur. Cela peut être une indication visuelle (LEDs graduées, affichage graphique sur écran avec code couleur) et/ou une indication sonore (bip dont la fréquence augmente avec la proximité de l'obstacle). Il faut décrire la chaîne de traitement, de la mesure brute à la génération de cette sortie.
- 5Analyse systémique et validation : Il est crucial de ne pas se limiter au capteur seul. Il faut modéliser le système dans son ensemble (bloc fonctionnel : acquisition, traitement, communication, action sur le milieu) et évaluer ses performances (précision, temps de réponse, robustesse) par rapport au cahier des charges initial (ex. : détecter un obstacle de section minimale donnée jusqu'à une distance maximale sous diverses conditions climatiques).
Exercice 2
Enonce
Analyse d'une prothèse bionique
Traitez ce sujet de manière complète et argumentée.
Criteres d'evaluation
Methode
Pour analyser une prothèse bionique, il faut adopter une démarche systémique qui intègre les trois dimensions mentionnées. Commencez par étudier la biomécanique : identifiez les mouvements à reproduire, les articulations impliquées et les efforts mécaniques (forces, couples) à transmettre. Analysez ensuite la partie électronique : déterminez les capteurs nécessaires pour acquérir l'intention de mouvement (par exemple, électromyographie EMG) et les actionneurs (moteurs, vérins) pour exécuter le mouvement. Enfin, examinez l'interface : comment l'information circule entre l'utilisateur et la prothèse (capteurs -> traitement -> actionneurs) et comment le système est alimenté en énergie. Il est crucial de toujours relier les choix technologiques aux contraintes biologiques et fonctionnelles (poids, encombrement, autonomie, confort). Une analyse complète doit aussi évaluer les performances (précision, vitesse, force), la fiabilité et les impacts sur l'utilisateur.
Points cles
- 1Biomécanique et cinématique : Il s'agit d'analyser les degrés de liberté de l'articulation remplacée ou assistée (ex: main, genou). Il faut modéliser les liaisons mécaniques (pivot, rotule), les amplitudes de mouvement et les efforts articulaires. Cela permet de dimensionner les pièces et les actionneurs pour qu'ils supportent les charges et reproduisent la cinématique naturelle.
- 2Capteurs d'intention : Le système doit interpréter la volonté de mouvement de l'utilisateur. Les capteurs EMG (électromyographie) placés sur les muscles résiduels sont courants. Ils mesurent le potentiel électrique associé à la contraction musculaire. Le signal analogique faible doit être amplifié, filtré et numérisé pour être traité. D'autres capteurs (inertiels, de pression) peuvent compléter l'information.
- 3Chaîne d'actionnement : Elle convertit la commande électrique en mouvement mécanique. Elle comprend généralement un moteur (DC, brushless, pas-à-pas), un réducteur (pour augmenter le couple), et éventuellement un système de transmission (vis à billes, poulies-courroie). Le choix se fait sur un compromis couple/vitesse/poids/rendement. Un asservissement en position ou en couple est souvent nécessaire.
- 4Traitement du signal et commande : C'est le 'cerveau' de la prothèse (microcontrôleur, DSP). Il traite les signaux des capteurs pour en extraire une commande (ex: reconnaître un pattern EMG correspondant à la fermeture de la main). Il pilote les actionneurs via des drivers (pont en H) et implémente les lois de commande et les séquences de mouvement. La programmation est critique.
- 5Interface homme-machine et énergie : L'interface n'est pas que logicielle ; elle inclut l'emboîture, le confort, la fixation. L'alimentation (batteries Li-ion) doit être légère, sûre et offrir une autonomie suffisante pour la journée. L'ergonomie et l'acceptation psychologique par l'utilisateur sont des facteurs clés de succès souvent sous-estimés dans une analyse purement technique.
Exercice 3
Enonce
Conception d'un système photovoltaïque autonome
Traitez ce sujet de manière complète et argumentée.
Criteres d'evaluation
Methode
Pour dimensionner un système photovoltaïque autonome, il faut suivre une démarche rigoureuse. On commence par évaluer précisément les besoins énergétiques de l'application (consommation quotidienne en Wh). Ensuite, on analyse les ressources solaires disponibles sur le site d'installation (ensoleillement moyen en kWh/m²/jour). Le dimensionnement des panneaux solaires se fait en calculant la puissance crête nécessaire pour couvrir les besoins, en tenant compte des pertes (rendement, orientation, température). Le stockage par batteries est dimensionné pour assurer l'autonomie souhaitée (nombre de jours sans soleil) et pour respecter la profondeur de décharge maximale des accumulateurs. Enfin, on choisit le régulateur de charge et l'onduleur adaptés aux courants et tensions du système. Chaque étape doit être justifiée par des calculs clairs.
Points cles
- 1Évaluation des besoins énergétiques : Il s'agit de lister tous les récepteurs, leur puissance (W) et leur temps d'utilisation quotidien (h). Le besoin énergétique quotidien E_cons (Wh/j) est la somme des produits Puissance x Temps. C'est la base de tout dimensionnement.
- 2Analyse de l'ensoleillement : La production solaire dépend de l'irradiation solaire locale (H, en kWh/m²/jour). Cette donnée, spécifique au lieu et à l'orientation des panneaux, est cruciale. On l'obtient via des cartes d'ensoleillement ou des bases de données météorologiques.
- 3Dimensionnement des panneaux photovoltaïques : La puissance crête Pc (Wc) nécessaire est calculée à partir du besoin énergétique, de l'ensoleillement et du rendement global du système (pertes câbles, onduleur, température, etc.). Formule : Pc = E_cons / (H * Rendement_global).
- 4Dimensionnement du stockage (batteries) : La capacité utile des batteries C_u (Ah) doit couvrir l'autonomie désirée (n jours) et les besoins. Elle se calcule à partir de l'énergie à stocker (E_cons * n) et de la tension du parc batterie. On doit aussi déterminer la capacité totale C_tot en tenant compte de la Profondeur de Décharge maximale (DOD) : C_tot = C_u / DOD.
- 5Choix des composants de puissance : Le régulateur de charge doit supporter le courant de court-circuit des panneaux et le courant de charge des batteries. L'onduleur (si besoin de courant alternatif) doit avoir une puissance nominale supérieure à la puissance de crête des appareils et une puissance de surcharge adaptée aux démarrages.
