Sujet du Bac Sciences de l'Ingénieur 2021 · Métropole 2

Rouen Normandy Autonomous Lab (RNAL)

Une réponse à la problématique de la mobilité du premier ou dernier kilomètre

Présentation:

Les transports publics traditionnels (bus, tramway et métro) fonctionnent de manière optimale dans les centres-villes denses et la proche banlieue. Aujourd’hui, souvent moins bien desservis, les quartiers à plus faible densité imposent à leurs habitants d’avoir recours à leur véhicule personnel ou à marcher sur de longues distances pour rejoindre leur destination ou pour relier le réseau de transports en commun.

Cette desserte insuffisante du premier ou dernier kilomètre a un impact direct sur le choix du mode de déplacement. Selon une étude menée aux États-Unis, devoir marcher plus de 0,8 km pour rejoindre une station de transports en commun réduit leur usage d’environ 90 %.

Depuis le début des années 1990, la métropole Rouen Normandie s’est engagée dans une politique ambitieuse en matière de transport en commun, afin de développer sur son territoire une mobilité intégrée, multimodale et décarbonée. Les enjeux sont doubles:

une mobilité choisie et sans contraintes:

continuité totale des déplacements,

diminution significative de l’usage de la voiture individuelle,

multimodalité 1 /intermodalité 2.

une réduction de l’impact environnemental et physique de la mobilité:

maîtrise des consommations d’énergie et des émissions de polluant,

réduction de la congestion automobile.

En octobre 2017, les partenaires du projet Rouen Normandy Autonomous Lab lancent l’expérimentation d’un service de mobilité à la demande avec véhicules autonomes électriques sur routes ouvertes au public. Ce projet est une première en Europe.

Sont partenaires de premier rang du projet:

1 La multimodalité désigne la présence de plusieurs modes de transport différents entre deux lieux.

2 L’intermodalité est l’utilisation de plusieurs modes de transport au cours d’un même déplacement.

La zone d’expérimentation est le technopôle du Madrillet, situé à Saint-Étienne-du-Rouvray en zone périurbaine, à proximité de Rouen.

Au sein du technopôle du Madrillet cohabitent des laboratoires de renommée internationale, des écoles d’ingénieurs, des départements de l’université de Rouen, le Centre de Ressources Informatiques de Haute-Normandie ainsi que des entreprises tournées vers la recherche.

Les récents progrès technologiques réalisés en matière de véhicules autonomes, rendent ces derniers tout à fait adaptés pour parcourir le premier ou le dernier kilomètre, en complémentarité avec les transports en commun. Ils peuvent circuler tout au long de la journée, effectuer des trajets courts, y compris en trafic mixte avec d’autres véhicules.

La flotte des véhicules autonomes dédiée au projet « RNAL » comprend actuellement 4 véhicules électriques ZOE Renault. Ces véhicules permettront aux voyageurs de relier le technopôle du Madrillet à la station terminus de tramway « Technopôle-Madrillet » en circulant sur trois boucles totalisant 10 km sur routes ouvertes avec 17 arrêts. La vitesse moyenne d’exploitation sera de 27 km·h -1 et la vitesse maximale de 40 km·h -1.

Le diagramme de contexte représenté ci-dessous présente les acteurs et les éléments environnant du véhicule autonome en phase d’utilisation.

Le passager réserve son trajet directement via une application.

Une fois géolocalisé, le passager indique l’adresse de sa destination. Après validation, le détail est envoyé à l’utilisateur, qui connaîtra à ce moment, les modalités et les renseignements nécessaires au bon déroulement du service.

Le questionnement proposé dans ce sujet va permettre d’étudier et de vérifier:

comment le traitement de données de la supervision permet de réserver un véhicule en fonction de la disponibilité;

comment le véhicule communique avec l’infrastructure routière;

comment le véhicule s’insère sur une voie de circulation prioritaire dans le respect du code de la route ?

Sous-Partie 1: Réservation d'un véhicule

Objectif de cette partie: vérifier que le traitement de données de la supervision permet la réservation d'un véhicule selon la disponibilité.

Le diagramme de séquence donné ci-dessous illustre la chronologie des échanges entre les différents acteurs du système lors de la réservation d'un véhicule.

sd: Réservation d'un véhicule (Document Réponse DR1)

Question 1.1.

Compléter le tableau en indiquant pour chaque échange le numéro correspondant sur le diagramme de séquence (les numéros vont de 1 à 8):

Numéro sur le diagramme

Nature de l'échange

La supervision répond au client en indiquant l'identifiant et le temps estimé d'arrivée du véhicule sélectionné.

La supervision détermine et affecte le meilleur véhicule.

Le client « embarque » dans le véhicule.

Les véhicules transmettent leur position et leur disponibilité à la supervision.

1

Le client émet une requête via son smartphone vers la supervision.

La supervision émet des requêtes de position et de disponibilité vers tous les véhicules de la flotte.

Les véhicules récupèrent leur position grâce à leur capteur GPS.

La supervision envoie la commande au véhicule sélectionné de se diriger vers la station du client.

Rouen Normandy Autonomous Lab (RNAL)

Une réponse à la problématique de la mobilité du premier ou dernier kilomètre

Présentation:

Les transports publics traditionnels (bus, tramway et métro) fonctionnent de manière optimale dans les centres-villes denses et la proche banlieue. Aujourd’hui, souvent moins bien desservis, les quartiers à plus faible densité imposent à leurs habitants d’avoir recours à leur véhicule personnel ou à marcher sur de longues distances pour rejoindre leur destination ou pour relier le réseau de transports en commun.

Cette desserte insuffisante du premier ou dernier kilomètre a un impact direct sur le choix du mode de déplacement. Selon une étude menée aux États-Unis, devoir marcher plus de 0,8 km pour rejoindre une station de transports en commun réduit leur usage d’environ 90 %.

Depuis le début des années 1990, la métropole Rouen Normandie s’est engagée dans une politique ambitieuse en matière de transport en commun, afin de développer sur son territoire une mobilité intégrée, multimodale et décarbonée. Les enjeux sont doubles:

une mobilité choisie et sans contraintes:

continuité totale des déplacements,

diminution significative de l’usage de la voiture individuelle,

multimodalité 1 /intermodalité 2.

une réduction de l’impact environnemental et physique de la mobilité:

maîtrise des consommations d’énergie et des émissions de polluant,

réduction de la congestion automobile.

En octobre 2017, les partenaires du projet Rouen Normandy Autonomous Lab lancent l’expérimentation d’un service de mobilité à la demande avec véhicules autonomes électriques sur routes ouvertes au public. Ce projet est une première en Europe.

Sont partenaires de premier rang du projet:

1 La multimodalité désigne la présence de plusieurs modes de transport différents entre deux lieux.

2 L’intermodalité est l’utilisation de plusieurs modes de transport au cours d’un même déplacement.

La zone d’expérimentation est le technopôle du Madrillet, situé à Saint-Étienne-du-Rouvray en zone périurbaine, à proximité de Rouen.

Au sein du technopôle du Madrillet cohabitent des laboratoires de renommée internationale, des écoles d’ingénieurs, des départements de l’université de Rouen, le Centre de Ressources Informatiques de Haute-Normandie ainsi que des entreprises tournées vers la recherche.

Les récents progrès technologiques réalisés en matière de véhicules autonomes, rendent ces derniers tout à fait adaptés pour parcourir le premier ou le dernier kilomètre, en complémentarité avec les transports en commun. Ils peuvent circuler tout au long de la journée, effectuer des trajets courts, y compris en trafic mixte avec d’autres véhicules.

La flotte des véhicules autonomes dédiée au projet « RNAL » comprend actuellement 4 véhicules électriques ZOE Renault. Ces véhicules permettront aux voyageurs de relier le technopôle du Madrillet à la station terminus de tramway « Technopôle-Madrillet » en circulant sur trois boucles totalisant 10 km sur routes ouvertes avec 17 arrêts. La vitesse moyenne d’exploitation sera de 27 km·h -1 et la vitesse maximale de 40 km·h -1.

Le diagramme de contexte représenté ci-dessous présente les acteurs et les éléments environnant du véhicule autonome en phase d’utilisation.

Le passager réserve son trajet directement via une application.

Une fois géolocalisé, le passager indique l’adresse de sa destination. Après validation, le détail est envoyé à l’utilisateur, qui connaîtra à ce moment, les modalités et les renseignements nécessaires au bon déroulement du service.

Le questionnement proposé dans ce sujet va permettre d’étudier et de vérifier:

comment le traitement de données de la supervision permet de réserver un véhicule en fonction de la disponibilité;

comment le véhicule communique avec l’infrastructure routière;

comment le véhicule s’insère sur une voie de circulation prioritaire dans le respect du code de la route ?

Sous-Partie 1 – Réservation d'un véhicule

La boucle 1 de la zone d'expérimentation possède 5 stations. Il peut circuler jusqu'à 4 véhicules sur cette boucle et ces véhicules circulent toujours dans le même sens. Ce type de parcours, pour lequel les véhicules autonomes utilisés ne peuvent pas changer de circuit et doivent suivre la boucle sans raccourcis possibles, s'appelle « tourne à droite ».

La supervision utilise l'algorithme ci-dessous qui permet d'affecter le véhicule le plus proche temporellement du client et d'informer celui-ci de l'identifiant de ce véhicule ainsi que le temps d'attente estimé.

Fonction affecter_un_véhicule (coordonnées_véhicules, coordonnées_client)

trouver_prochaines_stations ()

estimer_temps_parcours ()

choisir_véhicule ()

Fin Fonction

Si un véhicule est indisponible (parce qu'il recharge sa batterie par exemple), alors la valeur du temps de parcours est fixée à 60 minutes. Les véhicules sont numérotés de 0 à 3. Pour chaque véhicule, le temps de parcours est mémorisé dans l'élément temps_attente_V[n] du tableau à 1 dimension où l'index n correspond au numéro du véhicule.

Dans la configuration donnée ci-contre (Figure 5), le client est invité à attendre à la station 4.

On suppose que le temps de trajet entre 2 stations est d'une minute entre les stations 3 et 4 ainsi que 4 et 0 et deux minutes pour les autres.

Question 1.2

Sur le document réponse DR2, déterminer la valeur des éléments du tableau temps_attente_V pour la situation donnée à la figure 5.

[

,

,

,

]

Question 1.3

Sur le document réponse DR2, analyser et compléter l'algorithme partiel de la fonction choisir_véhicule.

Fonction choisir_un_véhicule ()

identifiant = -1

temps_mini = 60

Pour num_véhicule variant de 0 à 3 par pas de 1

Si (temps_attente_V[num_véhicule] < temps_mini)

Alors

temps_mini ←

identifiant ←

Fin de Si

Fin de Pour

Si (temps_mini <...)

Valeur limite pour tester si un véhicule est disponible: Si (temps_mini <

)

Alors

Afficher le texte « Le véhicule N° »

Afficher la valeur de la variable...

Afficher le texte « va rejoindre le client dans »

Afficher la valeur de la variable...

Afficher le texte « minutes »

Sinon

Afficher le texte « Pas de véhicule disponible »

Fin de Si

Fin Fonction

Déterminer quelle variable de l'algorithme de supervision permet, par son traitement, d'affecter un véhicule à l'utilisateur selon la disponibilité:

Rouen Normandy Autonomous Lab (RNAL)

Une réponse à la problématique de la mobilité du premier ou dernier kilomètre

Présentation:

Les transports publics traditionnels (bus, tramway et métro) fonctionnent de manière optimale dans les centres-villes denses et la proche banlieue. Aujourd’hui, souvent moins bien desservis, les quartiers à plus faible densité imposent à leurs habitants d’avoir recours à leur véhicule personnel ou à marcher sur de longues distances pour rejoindre leur destination ou pour relier le réseau de transports en commun.

Cette desserte insuffisante du premier ou dernier kilomètre a un impact direct sur le choix du mode de déplacement. Selon une étude menée aux États-Unis, devoir marcher plus de 0,8 km pour rejoindre une station de transports en commun réduit leur usage d’environ 90 %.

Depuis le début des années 1990, la métropole Rouen Normandie s’est engagée dans une politique ambitieuse en matière de transport en commun, afin de développer sur son territoire une mobilité intégrée, multimodale et décarbonée. Les enjeux sont doubles:

une mobilité choisie et sans contraintes:

continuité totale des déplacements,

diminution significative de l’usage de la voiture individuelle,

multimodalité 1 /intermodalité 2.

une réduction de l’impact environnemental et physique de la mobilité:

maîtrise des consommations d’énergie et des émissions de polluant,

réduction de la congestion automobile.

En octobre 2017, les partenaires du projet Rouen Normandy Autonomous Lab lancent l’expérimentation d’un service de mobilité à la demande avec véhicules autonomes électriques sur routes ouvertes au public. Ce projet est une première en Europe.

Sont partenaires de premier rang du projet:

1 La multimodalité désigne la présence de plusieurs modes de transport différents entre deux lieux.

2 L’intermodalité est l’utilisation de plusieurs modes de transport au cours d’un même déplacement.

La zone d’expérimentation est le technopôle du Madrillet, situé à Saint-Étienne-du-Rouvray en zone périurbaine, à proximité de Rouen.

Au sein du technopôle du Madrillet cohabitent des laboratoires de renommée internationale, des écoles d’ingénieurs, des départements de l’université de Rouen, le Centre de Ressources Informatiques de Haute-Normandie ainsi que des entreprises tournées vers la recherche.

Les récents progrès technologiques réalisés en matière de véhicules autonomes, rendent ces derniers tout à fait adaptés pour parcourir le premier ou le dernier kilomètre, en complémentarité avec les transports en commun. Ils peuvent circuler tout au long de la journée, effectuer des trajets courts, y compris en trafic mixte avec d’autres véhicules.

La flotte des véhicules autonomes dédiée au projet « RNAL » comprend actuellement 4 véhicules électriques ZOE Renault. Ces véhicules permettront aux voyageurs de relier le technopôle du Madrillet à la station terminus de tramway « Technopôle-Madrillet » en circulant sur trois boucles totalisant 10 km sur routes ouvertes avec 17 arrêts. La vitesse moyenne d’exploitation sera de 27 km·h -1 et la vitesse maximale de 40 km·h -1.

Le diagramme de contexte représenté ci-dessous présente les acteurs et les éléments environnant du véhicule autonome en phase d’utilisation.

Le passager réserve son trajet directement via une application.

Une fois géolocalisé, le passager indique l’adresse de sa destination. Après validation, le détail est envoyé à l’utilisateur, qui connaîtra à ce moment, les modalités et les renseignements nécessaires au bon déroulement du service.

Le questionnement proposé dans ce sujet va permettre d’étudier et de vérifier:

comment le traitement de données de la supervision permet de réserver un véhicule en fonction de la disponibilité;

comment le véhicule communique avec l’infrastructure routière;

comment le véhicule s’insère sur une voie de circulation prioritaire dans le respect du code de la route ?

Sous-Partie 2 (Choix 1): Communication avec l'infrastructure routière

Objectif de cette partie: dimensionner l'alimentation autonome d'une unité de bord de route et vérifier que les informations transmises au véhicule par le contrôleur d'un feu de carrefour permettent de déterminer l'état de ce feu.

Afin d'opérer en toute sécurité et d'assurer la bonne vitesse commerciale du service, des infrastructures et des capteurs sont installés sur les points stratégiques de la voirie (intersections, ronds-points, etc.) dans le but d'accroître la perception de l'environnement dans lequel les véhicules autonomes évoluent.

17 sites à instrumenter ont été identifiés sur l'ensemble des 3 boucles. Chaque site est équipé d'une unité bord de route (UBR). Cette armoire est placée au pied d'un mât et centralise les systèmes de communication et d'alimentation des équipements ainsi que l'unité de traitement.

Cette armoire est alimentée en énergie grâce à un système d'alimentation autonome. Des batteries, reliées au réseau électrique de l'éclairage public, sont chargées la nuit pendant les heures de fonctionnement de l'éclairage public, afin d'assurer l'alimentation de l'armoire en journée.

1.1. Dimensionnement de l'alimentation autonome d'une unité de bord de route

On se propose de dimensionner la batterie qui assure l'alimentation d'une unité de bord de route durant la journée en respectant la contrainte Id 1.2 spécifiée dans le diagramme des exigences illustré figure 6. L'ensemble des systèmes présents dans une UBR consomme une puissance de 300 W.

Question 1.4.

Calculer, en W·h, l'énergie $E_{cons}$ consommée par l'ensemble des systèmes présents dans l'UBR durant 16 heures. En supposant qu'au bout des 16 heures, la batterie a perdu 50 % de sa charge, déduire l'énergie $E_{batt}$ stockée dans la batterie de l'UBR lorsqu'elle est complètement chargée.

Question 1.5.

Sachant que les systèmes présents dans l'UBR sont alimentés avec une tension continue de 24 V, calculer, en A·h, la capacité $C_{Batt}$ de la batterie de l'UBR.

Question 1.6.

Afin d'obtenir une batterie avec une tension et une capacité adaptées au besoin, plusieurs batteries 12 V – 220 A·h vont être associées.

On rappelle ci-dessous les règles d'association de batteries:

Rechercher et représenter graphiquement en justifiant la démarche, une association de plusieurs batteries 12 V – 220 A·h pour réaliser la batterie de l'UBR.

Question 1.7.

La nuit, l'UBR est alimentée par le réseau d'éclairage public. La batterie est alors rechargée avec un chargeur. Si la batterie a alimenté l'UBR durant 16 heures, les différents composants ont consommé 5 kW·h.

Sachant que le rendement du chargeur de la batterie est de 80 %, calculer la puissance $P_{Charg}$ absorbée sur le réseau d'éclairage public lors de la recharge de la batterie afin de satisfaire à l'exigence Id 1.2.2.

2.2 Détermination de l'état d'un feu de carrefour

Rouen Normandy Autonomous Lab (RNAL)

Une réponse à la problématique de la mobilité du premier ou dernier kilomètre

Présentation:

Les transports publics traditionnels (bus, tramway et métro) fonctionnent de manière optimale dans les centres-villes denses et la proche banlieue. Aujourd’hui, souvent moins bien desservis, les quartiers à plus faible densité imposent à leurs habitants d’avoir recours à leur véhicule personnel ou à marcher sur de longues distances pour rejoindre leur destination ou pour relier le réseau de transports en commun.

Cette desserte insuffisante du premier ou dernier kilomètre a un impact direct sur le choix du mode de déplacement. Selon une étude menée aux États-Unis, devoir marcher plus de 0,8 km pour rejoindre une station de transports en commun réduit leur usage d’environ 90 %.

Depuis le début des années 1990, la métropole Rouen Normandie s’est engagée dans une politique ambitieuse en matière de transport en commun, afin de développer sur son territoire une mobilité intégrée, multimodale et décarbonée. Les enjeux sont doubles:

une mobilité choisie et sans contraintes:

continuité totale des déplacements,

diminution significative de l’usage de la voiture individuelle,

multimodalité 1 /intermodalité 2.

une réduction de l’impact environnemental et physique de la mobilité:

maîtrise des consommations d’énergie et des émissions de polluant,

réduction de la congestion automobile.

En octobre 2017, les partenaires du projet Rouen Normandy Autonomous Lab lancent l’expérimentation d’un service de mobilité à la demande avec véhicules autonomes électriques sur routes ouvertes au public. Ce projet est une première en Europe.

Sont partenaires de premier rang du projet:

1 La multimodalité désigne la présence de plusieurs modes de transport différents entre deux lieux.

2 L’intermodalité est l’utilisation de plusieurs modes de transport au cours d’un même déplacement.

La zone d’expérimentation est le technopôle du Madrillet, situé à Saint-Étienne-du-Rouvray en zone périurbaine, à proximité de Rouen.

Au sein du technopôle du Madrillet cohabitent des laboratoires de renommée internationale, des écoles d’ingénieurs, des départements de l’université de Rouen, le Centre de Ressources Informatiques de Haute-Normandie ainsi que des entreprises tournées vers la recherche.

Les récents progrès technologiques réalisés en matière de véhicules autonomes, rendent ces derniers tout à fait adaptés pour parcourir le premier ou le dernier kilomètre, en complémentarité avec les transports en commun. Ils peuvent circuler tout au long de la journée, effectuer des trajets courts, y compris en trafic mixte avec d’autres véhicules.

La flotte des véhicules autonomes dédiée au projet « RNAL » comprend actuellement 4 véhicules électriques ZOE Renault. Ces véhicules permettront aux voyageurs de relier le technopôle du Madrillet à la station terminus de tramway « Technopôle-Madrillet » en circulant sur trois boucles totalisant 10 km sur routes ouvertes avec 17 arrêts. La vitesse moyenne d’exploitation sera de 27 km·h -1 et la vitesse maximale de 40 km·h -1.

Le diagramme de contexte représenté ci-dessous présente les acteurs et les éléments environnant du véhicule autonome en phase d’utilisation.

Le passager réserve son trajet directement via une application.

Une fois géolocalisé, le passager indique l’adresse de sa destination. Après validation, le détail est envoyé à l’utilisateur, qui connaîtra à ce moment, les modalités et les renseignements nécessaires au bon déroulement du service.

Le questionnement proposé dans ce sujet va permettre d’étudier et de vérifier:

comment le traitement de données de la supervision permet de réserver un véhicule en fonction de la disponibilité;

comment le véhicule communique avec l’infrastructure routière;

comment le véhicule s’insère sur une voie de circulation prioritaire dans le respect du code de la route ?

Le long des boucles 2 et 3 ont été recensés 4 carrefours à feux. Tous ces feux sont équipés d'une unité de bord de route qui récupère des informations issues du contrôleur de feux et les transmet au véhicule autonome en WiFi.

Ce système est nécessaire au véhicule pour être renseigné en temps réel de l'état de la signalisation et pouvoir franchir ces intersections particulières. Le format d'échange entre le contrôleur de feu et l'UBR est une trame TCP/IP normalisée par le protocole DIASER.

En réponse à la question émise par le véhicule autonome, le contrôleur de feu de carrefour lui répond en transmettant une indication de délai sur la prochaine ouverture et la prochaine fermeture de la ligne de feux:

L'ouverture de la ligne de feux correspond au passage au vert et la fermeture de la ligne de feux correspond au passage à l'orange.

Codage des données:

On utilise le codage hexadécimal pour coder « DELAI_DEBUT_OUVERTURE » et « DELAI_FIN_OUVERTURE ». Chacune de ces deux données numériques est représentée par deux caractères hexadécimaux '0' à 'F'. Ces caractères sont ensuite codés en ASCII pour la transmission des données.

Exemple:

Soit la valeur numérique $(16)_{10} = (10)_{16}$. Cette donnée est constituée du caractère '1' qui a pour code ASCII $(31)_{16}$ et du caractère '0' qui a pour code ASCII $(30)_{16}$.

Question 1.8. À l'aide de l'extrait de la table ASCII donnée ci-dessus, compléter le tableau du document réponse DR3.

· DELAI_DEBUT_OUVERTURE · DELAI_FIN_OUVERTURE

Code ASCII · $(35)_{16}$ · $(41)_{16}$ · $(31)_{16}$ · $(39)_{16}$

Caractère

Valeur hexadécimale du délai

Durée correspondante en secondes

Question 1.9. Sur le graphique du document réponse DR3, en prenant modèle sur la figure 10, indiquer par des flèches les durées trouvées pour le délai de début d'ouverture (DDO) et le délai de fin d'ouverture (DFO) de la ligne. En déduire l'instant où le véhicule a émis sa question et l'état de la ligne de feux (ouvert ou fermé) à cet instant.

Une analyse similaire pour une autre réponse donne le résultat suivant:

Question 1.10. Expliquer, à l'aide de la réponse à la question 1.9 et de la figure 10, comment le véhicule peut connaître l'état de la ligne de feux à partir de la valeur des deux éléments « DELAI_DEBUT_OUVERTURE » et « DELAI_FIN_OUVERTURE », quelle que soit la durée du cycle du feu.

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Une réponse à la problématique de la mobilité du premier ou dernier kilomètre

Présentation:

Les transports publics traditionnels (bus, tramway et métro) fonctionnent de manière optimale dans les centres-villes denses et la proche banlieue. Aujourd’hui, souvent moins bien desservis, les quartiers à plus faible densité imposent à leurs habitants d’avoir recours à leur véhicule personnel ou à marcher sur de longues distances pour rejoindre leur destination ou pour relier le réseau de transports en commun.

Cette desserte insuffisante du premier ou dernier kilomètre a un impact direct sur le choix du mode de déplacement. Selon une étude menée aux États-Unis, devoir marcher plus de 0,8 km pour rejoindre une station de transports en commun réduit leur usage d’environ 90 %.

Depuis le début des années 1990, la métropole Rouen Normandie s’est engagée dans une politique ambitieuse en matière de transport en commun, afin de développer sur son territoire une mobilité intégrée, multimodale et décarbonée. Les enjeux sont doubles:

une mobilité choisie et sans contraintes:

continuité totale des déplacements,

diminution significative de l’usage de la voiture individuelle,

multimodalité 1 /intermodalité 2.

une réduction de l’impact environnemental et physique de la mobilité:

maîtrise des consommations d’énergie et des émissions de polluant,

réduction de la congestion automobile.

En octobre 2017, les partenaires du projet Rouen Normandy Autonomous Lab lancent l’expérimentation d’un service de mobilité à la demande avec véhicules autonomes électriques sur routes ouvertes au public. Ce projet est une première en Europe.

Sont partenaires de premier rang du projet:

1 La multimodalité désigne la présence de plusieurs modes de transport différents entre deux lieux.

2 L’intermodalité est l’utilisation de plusieurs modes de transport au cours d’un même déplacement.

La zone d’expérimentation est le technopôle du Madrillet, situé à Saint-Étienne-du-Rouvray en zone périurbaine, à proximité de Rouen.

Au sein du technopôle du Madrillet cohabitent des laboratoires de renommée internationale, des écoles d’ingénieurs, des départements de l’université de Rouen, le Centre de Ressources Informatiques de Haute-Normandie ainsi que des entreprises tournées vers la recherche.

Les récents progrès technologiques réalisés en matière de véhicules autonomes, rendent ces derniers tout à fait adaptés pour parcourir le premier ou le dernier kilomètre, en complémentarité avec les transports en commun. Ils peuvent circuler tout au long de la journée, effectuer des trajets courts, y compris en trafic mixte avec d’autres véhicules.

La flotte des véhicules autonomes dédiée au projet « RNAL » comprend actuellement 4 véhicules électriques ZOE Renault. Ces véhicules permettront aux voyageurs de relier le technopôle du Madrillet à la station terminus de tramway « Technopôle-Madrillet » en circulant sur trois boucles totalisant 10 km sur routes ouvertes avec 17 arrêts. La vitesse moyenne d’exploitation sera de 27 km·h -1 et la vitesse maximale de 40 km·h -1.

Le diagramme de contexte représenté ci-dessous présente les acteurs et les éléments environnant du véhicule autonome en phase d’utilisation.

Le passager réserve son trajet directement via une application.

Une fois géolocalisé, le passager indique l’adresse de sa destination. Après validation, le détail est envoyé à l’utilisateur, qui connaîtra à ce moment, les modalités et les renseignements nécessaires au bon déroulement du service.

Le questionnement proposé dans ce sujet va permettre d’étudier et de vérifier:

comment le traitement de données de la supervision permet de réserver un véhicule en fonction de la disponibilité;

comment le véhicule communique avec l’infrastructure routière;

comment le véhicule s’insère sur une voie de circulation prioritaire dans le respect du code de la route ?

Sous-partie 3 (Choix 2) - Insertion du véhicule sur une voie prioritaire

Objectif de cette partie: vérifier que le véhicule respecte les règles du code de la route lors d'une manœuvre d'insertion sur une voie prioritaire.

Sur le circuit de la boucle numéro 3, le véhicule emprunte une voie d'insertion. Il est situé avenue de Felling et doit s'insérer sur l'avenue de la Mare aux Daims.

Le véhicule autonome roule à vitesse constante de 30 km·h⁻¹ sur la voie d'insertion et n'est pas encore engagé sur l'avenue de la Mare aux Daims. Selon le trafic, le véhicule peut être amené à s'insérer automatiquement, à s'arrêter en fin de voie, ou à interrompre sa manœuvre par un freinage d'urgence.

Le véhicule utilise un LIDAR pour percevoir son environnement. Pour réaliser la manœuvre d'insertion sans risquer un refus de priorité ou un chevauchement de ligne continue, il doit connaître la distance de freinage en cas de freinage d'urgence.

Hypothèses: voie d'insertion = plan horizontal; étude menée dans le plan (O;x,y); repère galiléen R0(O;x,y) lié à la route; véhicule autonome (repère 1) = solide indéformable de centre de masse G et de masse totale m, animé d'un mouvement rectiligne uniforme jusqu'au début du freinage; contact pneus-route ponctuel de normale y, facteur d'adhérence f identique avant/arrière.

La décélération est supposée constante tout au long de la phase de freinage. La vitesse du véhicule autonome au début de la phase de freinage étudiée est v = 30 km·h⁻¹. Le vecteur accélération $\vec{\Gamma}_{G(1/0)}$ est porté par l'axe $\vec{x}$ tel que $\vec{\Gamma}_{G(1/0)} = a_t \cdot \vec{x}$. Le véhicule dispose d'un système de freinage ABS avec assistance au freinage d'urgence: les contacts pneumatiques-route sont à la limite du glissement. Le facteur d'adhérence f retenu est celui d'un contact pneumatique-chaussée humide, f = 0,7.

On isole le véhicule autonome 1, soumis à 4 actions mécaniques extérieures: le poids appliqué en G, l'action de contact de la route sur la roue avant en A ($\vec{A}_{(0\to1)} = A_t\vec{x} + A_n\vec{y}$), l'action de contact de la route sur la roue arrière en R ($\vec{R}_{(0\to1)} = R_t\vec{x} + R_n\vec{y}$), et l'action aérodynamique de l'air en C ($\vec{C}_{(air\to1)} = X_C\vec{x}$, avec $X_C = -\frac{1}{2}\rho S C_x v^2$).

Q1.11

On donne les relations entre les composantes des forces aux points R et A suivantes: $R_t = -0{,}7 \cdot R_n$ et $A_t = -0{,}7 \cdot A_n$

Q1.12

Q1.13

Quelle que soit la valeur de l'accélération trouvée précédemment, nous prendrons pour la suite de l'étude $a_t$ = -6,9 m·s⁻². La phase de freinage est assimilable à un mouvement rectiligne uniformément varié.

Q1.14

Connaissant la distance de freinage, il faut déterminer la position limite de déclenchement de la manœuvre d'insertion et vérifier qu'à partir de ce point la manœuvre est réalisée sans risquer un chevauchement de ligne continue (zone zébrée). Le point A, indiqué sur la figure ci-dessous, est positionné au niveau du nez de la zone zébrée qui matérialise le rétrécissement de la voie d'insertion. Ce point ne doit pas être dépassé par le véhicule autonome dans l'éventualité du déclenchement d'un freinage d'urgence.

Q1.15

La courbe de la figure ci-dessous décrit la trajectoire de consigne du centre de gravité du véhicule lors de la manœuvre d'insertion à la vitesse de 30 km·h⁻¹. On considère que le véhicule se déplace sur l'axe médian des voies sur lesquelles il évolue.

Le véhicule autonome est équipé d'un GPS différentiel RTK qui lui permet d'atteindre une précision de positionnement de l'ordre du centimètre. La largeur du véhicule autonome est 2 mètres. La largeur de la chaussée est 3 mètres.

Q1.16

Q1.17

Rouen Normandy Autonomous Lab (RNAL)

Une réponse à la problématique de la mobilité du premier ou dernier kilomètre

Présentation:

Les transports publics traditionnels (bus, tramway et métro) fonctionnent de manière optimale dans les centres-villes denses et la proche banlieue. Aujourd’hui, souvent moins bien desservis, les quartiers à plus faible densité imposent à leurs habitants d’avoir recours à leur véhicule personnel ou à marcher sur de longues distances pour rejoindre leur destination ou pour relier le réseau de transports en commun.

Cette desserte insuffisante du premier ou dernier kilomètre a un impact direct sur le choix du mode de déplacement. Selon une étude menée aux États-Unis, devoir marcher plus de 0,8 km pour rejoindre une station de transports en commun réduit leur usage d’environ 90 %.

Depuis le début des années 1990, la métropole Rouen Normandie s’est engagée dans une politique ambitieuse en matière de transport en commun, afin de développer sur son territoire une mobilité intégrée, multimodale et décarbonée. Les enjeux sont doubles:

une mobilité choisie et sans contraintes:

continuité totale des déplacements,

diminution significative de l’usage de la voiture individuelle,

multimodalité 1 /intermodalité 2.

une réduction de l’impact environnemental et physique de la mobilité:

maîtrise des consommations d’énergie et des émissions de polluant,

réduction de la congestion automobile.

En octobre 2017, les partenaires du projet Rouen Normandy Autonomous Lab lancent l’expérimentation d’un service de mobilité à la demande avec véhicules autonomes électriques sur routes ouvertes au public. Ce projet est une première en Europe.

Sont partenaires de premier rang du projet:

1 La multimodalité désigne la présence de plusieurs modes de transport différents entre deux lieux.

2 L’intermodalité est l’utilisation de plusieurs modes de transport au cours d’un même déplacement.

La zone d’expérimentation est le technopôle du Madrillet, situé à Saint-Étienne-du-Rouvray en zone périurbaine, à proximité de Rouen.

Au sein du technopôle du Madrillet cohabitent des laboratoires de renommée internationale, des écoles d’ingénieurs, des départements de l’université de Rouen, le Centre de Ressources Informatiques de Haute-Normandie ainsi que des entreprises tournées vers la recherche.

Les récents progrès technologiques réalisés en matière de véhicules autonomes, rendent ces derniers tout à fait adaptés pour parcourir le premier ou le dernier kilomètre, en complémentarité avec les transports en commun. Ils peuvent circuler tout au long de la journée, effectuer des trajets courts, y compris en trafic mixte avec d’autres véhicules.

La flotte des véhicules autonomes dédiée au projet « RNAL » comprend actuellement 4 véhicules électriques ZOE Renault. Ces véhicules permettront aux voyageurs de relier le technopôle du Madrillet à la station terminus de tramway « Technopôle-Madrillet » en circulant sur trois boucles totalisant 10 km sur routes ouvertes avec 17 arrêts. La vitesse moyenne d’exploitation sera de 27 km·h -1 et la vitesse maximale de 40 km·h -1.

Le diagramme de contexte représenté ci-dessous présente les acteurs et les éléments environnant du véhicule autonome en phase d’utilisation.

Le passager réserve son trajet directement via une application.

Une fois géolocalisé, le passager indique l’adresse de sa destination. Après validation, le détail est envoyé à l’utilisateur, qui connaîtra à ce moment, les modalités et les renseignements nécessaires au bon déroulement du service.

Le questionnement proposé dans ce sujet va permettre d’étudier et de vérifier:

comment le traitement de données de la supervision permet de réserver un véhicule en fonction de la disponibilité;

comment le véhicule communique avec l’infrastructure routière;

comment le véhicule s’insère sur une voie de circulation prioritaire dans le respect du code de la route ?

Sous-partie 3 (Choix 2) - Asservissement transversal

Le déplacement transversal du véhicule $y(t)$ est asservi en position suivant la consigne représentée sur la figure suivante:

Figure 15: asservissement en position du déplacement transversal

Un correcteur proportionnel permet de corriger la réponse du véhicule afin de respecter les exigences suivantes:

Critère · Valeur

Erreur de position en régime permanent · $5\text{ cm maxi}$

Écart en régime transitoire (dépassement) · $0{,}4\text{ m maxi}$

Déplacement transversal $y$ parcouru pour un déplacement longitudinal de $28\text{ mètres}$ · $2{,}5\text{ m mini}$

Figure 16: exigences de positionnement transversal

Trois simulations ont été réalisées avec trois réglages différents du correcteur proportionnel. Sur le relevé suivant, la consigne est représentée en trait continu et la réponse pour chaque réglage du correcteur est représentée en trait pointillé:

Figure 17: trajectoire du véhicule en fonction du réglage du correcteur proportionnel

Question 1.18.

À partir des relevés de la figure 17, pour les trois réglages proposés, analyser les performances obtenues au regard des exigences de la figure 16. En déduire le réglage le plus adapté.

EXERCICE A – Le déploiement des satellites Starlink

Le projet Starlink vise à fournir un accès Internet à la totalité de la population mondiale grâce à une flotte de plusieurs milliers de satellites. Ces satellites sont plats et compacts, ils n'utilisent qu'un seul panneau voltaïque. Ils sont dotés de quatre antennes puissantes, assurant un fort débit.

« D'après Starlink.com, wikipedia et futura-sciences ».

Les satellites Starlink sont transportés dans une fusée Falcon 9, puis déployés les uns derrière les autres à une altitude d'environ 400 km. Ils rejoignent ensuite leur orbite finale en utilisant leur propulseur ionique.

Données

constante universelle de gravitation: $G = 6{,}67\times 10^{-11}$ m³·kg⁻¹·s⁻²; masse de la Terre: $M_T = 5{,}97\times 10^{24}$ kg; rayon moyen de la Terre: $R_T = 6371$ km; masses des atomes: xénon $m_{Xe} = 2{,}2\times 10^{-25}$ kg, krypton $m_{Kr} = 1{,}4\times 10^{-25}$ kg; charge électrique élémentaire: $e = 1{,}60\times 10^{-19}$ C.

Passage du « train Starlink3 » au-dessus de la Nouvelle-Zélande le 31 Janvier 2020 à 22 h 04 min 11 s et 22 h 04 min 21 s

(D'après Astrofarmer Imaging NZ)

Les satellites sont largués de manière à se suivre les uns derrière les autres. Ils forment ainsi dans le ciel un segment de points lumineux appelé « train ». On suppose, pour simplifier que le mouvement des satellites est rectiligne uniforme pendant la durée d'observation. Le cercle blanc identifie la tête du train.

Principe de fonctionnement du propulseur ionique

Des électrons sont accélérés par une cathode. Ils arrachent, par collision, un électron aux atomes de krypton qui deviennent des ions positifs. Ils sont accélérés par le champ électrique régnant entre les deux grilles. Ils sont alors éjectés à grande vitesse, ce qui génère la poussée du moteur. Après leur sortie du propulseur, les ions krypton sont transformés en atomes krypton par un faisceau d'électrons, afin de maintenir la neutralité électrique du satellite et du gaz éjecté.

1.

Exploiter les clichés datés du ciel pour estimer la valeur de la vitesse de la tête du train de satellites.

2.

Dans le référentiel géocentrique, le mouvement d'un satellite Starlink peut être modélisé par un mouvement circulaire, de rayon $R$, à la vitesse $v$.

Reproduire le schéma en y faisant figurer la base de Frenet et donner l'expression du vecteur accélération $\vec{a}$ d'un satellite dans le repère de Frenet.

3.

Établir que le mouvement circulaire du satellite est uniforme.

4.

Donner l'expression de la vitesse $v$ du satellite en fonction de $G$, $M_T$ et $R$.

Calculer la valeur de la vitesse pour l'altitude $h = 380$ km.

5.

Proposer au moins une raison permettant d'expliquer un éventuel écart entre les valeurs des vitesses obtenues aux questions 1 et 4.

Au cours de sa révolution, un satellite n'utilise pas son propulseur, son mouvement est simplement assujetti à l'attraction gravitationnelle et il vérifie la 3e loi de Kepler:

$$T^2 = \frac{4\pi^2}{G.M_T}.R^3$$

avec la période $T$ et le rayon de l'orbite $R$.

6.

Rappeler les conditions pour qu'un satellite soit géostationnaire. Indiquer si le satellite Starlink est géostationnaire.

Le propulseur est un propulseur au krypton, moins performant que le propulseur au xénon, mais dix fois moins coûteux. Le système {satellite et son équipement} subit une force appelée force de poussée liée à l'éjection des atomes par le propulseur.

7.

Comparer la force d'origine électrostatique exercée par les grilles sur un ion krypton Kr⁺ avec celle exercée par les mêmes grilles portées aux mêmes potentiels sur un ion xénon Xe⁺. On considère que le nombre d'ions xénon Xe⁺ éjectés par seconde est identique à celui d'ions krypton Kr⁺ éjectés par seconde.

8.

En raisonnant sur les masses des ions d'une part et sur les masses des carburants d'autre part, discuter qualitativement l'intérêt de l'utilisation d'un moteur au xénon par rapport à un moteur au krypton.

Exercice B – Influence d'un écoulement d'air sur le refroidissement d'un bloc de métal

On souhaite étudier quantitativement l'influence d'un écoulement d'air sur la rapidité du refroidissement d'un bloc de métal. Pour cela, on réalise l'expérience qui consiste à mesurer au cours du temps l'évolution de la température intérieure d'un cylindre de cuivre suspendu à l'air libre, avec et sans ventilation.

Description de l'expérience: le bloc de cuivre préalablement chauffé à environ 50 °C est suspendu à un fil. Une sonde mesure la température à l'intérieur. Un ventilateur est posé à proximité du bloc de cuivre. La température de la pièce est d'environ 20 °C.

Selon le mode de fonctionnement du ventilateur, on obtient les résultats suivants:

Modélisation du flux thermique au cours du refroidissement

Le cylindre de cuivre est pris comme système d'étude. La variation d'énergie interne entre les instants $t$ et $t+\Delta t$ très proches est notée $U(t+\Delta t) - U(t)$. Son expression est donnée par:

$$U(t+\Delta t) - U(t) = h.S.(T_{ext} - T(t)).\Delta t$$

avec $S$ l'aire de la surface extérieure du cylindre, $T_{ext}$ la température de la pièce, $T(t)$ la température du bloc de cuivre, et $h$ le coefficient conducto-convectif.

Données

masse du bloc de cuivre

$m = 177$ g

hauteur du bloc de cuivre

$\ell = 3{,}0$ cm

rayon du bloc de cuivre

$R = 1{,}5$ cm

capacité thermique massique du cuivre

$c = 385$ J.K$^{-1}$.kg$^{-1}$

1.

Associer, en justifiant la réponse, chacune des courbes 1, 2 et 3 à la situation correspondante ci-dessous: a. absence de ventilation; b. ventilation modérée; c. ventilation forte.

2.

Proposer une interprétation physique du coefficient $h$ et prévoir la situation pour laquelle sa valeur est la plus élevée parmi les trois de la question précédente.

3.

En appliquant le premier principe de la thermodynamique au système {bloc de cuivre} entre les instants $t$ et $t+\Delta t$ et en se plaçant à la limite $\Delta t \to 0$, établir l'équation différentielle qui caractérise l'évolution temporelle du système: $$\frac{dT(t)}{dt} = \frac{h \times S}{C} \times (T_{ext} - T(t))$$ avec $C$, la capacité thermique du bloc de cuivre.

4.

Déterminer, en justifiant la réponse, si l'affirmation suivante est correcte: « À un instant donné, plus l'écart de température entre le bloc et l'extérieur est important, plus il se refroidit lentement ».

On définit la grandeur $\tau = \frac{C}{h \times S}$.

5.

En raisonnant par analyse dimensionnelle entre les membres de gauche et de droite de l'équation différentielle, déterminer la dimension de $\tau$.

La solution de l'équation différentielle s'écrit: $$T(t) = T_{ext} + (T(0) - T_{ext})\exp\left(-\frac{t}{\tau}\right)$$

6.

Proposer une interprétation physique de la grandeur $\tau$. Commenter soigneusement l'allure de la courbe 1 du graphique (valeur de $T(0)$, valeur de $T_{ext}$, signe de la pente et évolution de la pente).

7.

Déterminer la valeur du coefficient $h$ associé à la courbe 1. Décrire son évolution pour les courbes 2 et 3. Commenter.

Nouvelle réglementation européenne concernant les drones (1er janvier 2021): altitude maximale en vol: 120 m; niveau d'intensité sonore maximal en vol: 85 dB à 1 m de distance.

Seuils · Niveau d'intensité sonore

Seuil d'audibilité · 0 dB

Chambre à coucher · 30 dB

Seuil de danger / de risque · 85 dB

Seuil de douleur · 120 dB

Données: intensité sonore de référence $I_0 = 1{,}0 \times 10^{-12}$ W·m⁻²; niveau d'intensité sonore 85 dB à 1 m de distance; modèle de l'atténuation géométrique pour une source ponctuelle: $$I = \frac{P}{4\pi x^2}$$

1.

Démontrer que le niveau d'intensité sonore $L$ (dB) est lié à la distance $x$ (m) par la relation: $$L = 10\log\left(\frac{P}{4\pi \times I_0}\right) - 20\log(x)$$ Dans cette relation, $P$ s'exprime en watt (W) et $I_0$ en watt par mètre carré (W·m⁻²).

2. Déterminer parmi les propositions graphiques ci-dessous celle qui correspond à la représentation graphique de la relation démontrée à la question précédente.

Graphique

3. En s'appuyant sur le graphique ou sur la relation démontrée à la question 1, sélectionner, en justifiant la réponse, la proposition correcte pour chacune des questions suivantes.

Question 1 - Si la distance au drone double, comment évolue le niveau d'intensité sonore ?

Question 2 - Si la distance au drone est divisée par 10, comment évolue le niveau d'intensité sonore ?

4.

Montrer que la valeur de la puissance sonore d'un drone est voisine de 4 mW.

5.

Déterminer, à l'aide du graphique C, la distance au drone pour laquelle le niveau d'intensité sonore perçu par une personne au sol est équivalent à celui d'une chambre à coucher. Comparer cette distance à la hauteur imposée par la réglementation.

6.

Un spectacle utilise 500 drones volant en essaim à une distance moyenne des spectateurs de 30 m. Déterminer, dans ces conditions, si les spectateurs ont besoin de protections auditives durant le spectacle.

À partir de quel nombre de drones volant à 30 m des spectateurs, cela représente-t-il un risque ? Commenter.