Exercice Sous-partie 2 (choix B) - Conditionnement et conv… · Bac Sciences de l'Ingénieur Métropole 2022 (sujet 2)

Partie 1 - sciences de l’ingénieur

Simulateur de pente pour home-trainer

Lors du premier confinement lié à la pandémie de la covid-19, les sportifs, amateurs comme professionnels, ont dû adapter leurs pratiques afin d’entretenir leur condition physique. Assez naturellement, les cyclistes ont remplacé leurs sorties d’entrainement sur route par des séances de home-trainer qui consistent à réaliser des exercices spécifiques sur son propre vélo en étant stationnaire (figure 1).

Depuis quelques années de nouveaux home-trainers, dits connectés, ont fait leur apparition et ont été très largement utilisés lorsqu’il était impossible de pratiquer le cyclisme en extérieur. L’intérêt d’utiliser un tel dispositif est d’avoir en temps réel un certain nombre de données (puissance développée, cadence de pédalage…) permettant de réaliser des exercices d’entrainement très spécifiques. Par ailleurs, lorsque le home-trainer est connecté à une plateforme d’entraînement en ligne, l’avatar du cycliste va pouvoir évoluer sur un parcours virtuel avec d’autres utilisateurs (figure 2). Ainsi, la pratique du cyclisme sur home-trainer devient ludique et interactive lors d’entrainements en groupe ou bien de compétitions.

Dans l’optique de rendre la pratique du cyclisme à la maison toujours plus réaliste, un constructeur de home-trainer a développé un dispositif appelé simulateur de pente. Ce dispositif va permettre d’incliner le vélo afin que le cycliste se trouve dans une position semblable à celle rencontrée lors d’ascensions de côtes ou de cols. Ainsi, le cycliste est amené à modifier naturellement sa position sur le vélo afin de faire travailler spécifiquement les muscles et d’améliorer sa technique de pédalage. La figure 3 illustre les cas d’utilisation du simulateur de pente.

Fixé sur l’axe de la fourche du vélo, à la place de la roue avant (figure 4), le dispositif va lever ou baisser de manière contrôlée l’avant du vélo afin d’obtenir la déclivité souhaitée.

Le simulateur de pente possède deux modes de fonctionnement (manuel ou piloté).

En mode manuel, au moyen d’un boitier (figure 5) fixé sur le guidon, le cycliste peut augmenter ou diminuer l’inclinaison à l’aide de deux boutons poussoirs.

En mode piloté, lorsque le cycliste utilise une plateforme d’entrainement, le simulateur va incliner le vélo afin de reproduire la déclivité de la route sur laquelle se trouve l’avatar. C’est le home-trainer qui, à partir des informations en provenance de l’application d’entrainement, commande le simulateur de pente.

La figure 6 présente les performances attendues du simulateur de pente.

Problématique

La problématique traitée dans ce sujet est la suivante:

Le simulateur de pente permet-il de reproduire des variations de déclivité réalistes pour le cycliste à partir des informations envoyées par le home-trainer ?

La réponse à cette problématique est traitée au travers de trois sous-parties visant à valider les exigences 1, 2, 1.2.2.1 et 1.2.2.2 (figure 6).

Sous-partie 2 – choix B: Communiquer avec le home-trainer et utiliser ses ordres de commande

L'objectif de cette sous-partie est de valider la commande du moteur pour piloter l'inclinaison, puis de valider le temps de communication de la valeur de l'angle d'inclinaison entre le home-trainer et le simulateur de pente.

La commande du moteur, via l'interface de puissance, peut être effectuée de deux manières:

l'application « plateforme d'entrainement » (figure 4) envoie les ordres de commande par liaison Bluetooth afin d'imposer un angle d'inclinaison correspondant au profil du parcours issue de l'application;

le cycliste gère manuellement l'inclinaison (l'application est déconnectée) à l'aide de deux boutons poussoirs gérant la montée ou la descente (figure 19).

En mode manuel, il y a deux possibilités:

une commande impulsionnelle pour laquelle un appui court (front montant) sur un des deux boutons poussoirs provoque une variation d'inclinaison de +/- 0,6°;

une commande maintenue pour laquelle l'inclinaison augmente ou diminue tant que le bouton poussoir correspondant est appuyé.

Dans le cadre de cette étude, seul le mode manuel impulsionnel est étudié. En fonction des ordres de commande provenant des boutons poussoirs, la carte électronique délivre deux informations à l'interface de puissance qui pilote le moteur (figure 20):

Marche (Marche = 0 indique que le moteur est à l'arrêt, Marche = 1 indique que le moteur est alimenté);

Sens (Sens = 0 indique que l'inclinaison augmente, Sens = 1 indique que l'inclinaison diminue).

L'angle d'inclinaison est mesuré par un potentiomètre. Le schéma figure 21 illustre le montage électrique utilisé pour produire la tension variable $U_{INC}$ image de l'angle d'inclinaison. Les deux résistances électriques $R_1$ et $R_2$ sont issues d'un potentiomètre $P$. La tension $U_{INC}$ est déterminée grâce à la formule:

$$U_{INC} = \frac{R_2}{R_1 + R_2} \times V_{REF} \quad \text{avec } \begin{cases} R_1 = (1 - k) \times P \\ R_2 = k \times P \end{cases}$$

où $V_{REF}$ est une tension constante de 5 V et $k$ est une valeur sans unité. La valeur de $k$ dépend de la position du potentiomètre, elle est comprise entre 0 (pour un angle d'inclinaison de -10 %) et 0,176 (pour un angle d'inclinaison de +20 %).

Question 1.17

Déterminer l'expression littérale de $U_{INC}$ en fonction de $V_{REF}$ et $k$.

Calculer la variation de la tension $U_{INC}$ correspondant à une variation de 1 % de l'angle d'inclinaison (en mV/% ou V/%).

La tension $U_{INC}$ est convertie en une valeur numérique $N$ par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique numérique (CAN). Une augmentation de $U_{INC}$ de 4,88 mV provoque une augmentation d'une unité (en base 10) de la valeur $N$ en sortie du CAN.

Question 1.18

En déduire la variation de la valeur $N$ en sortie du CAN pour une variation de 1 % de l'angle d'inclinaison.

Dans la suite de l'étude, on considère que la caractéristique de l'ensemble de la chaîne d'acquisition de l'inclinaison correspond à la figure 22. On considère également qu'une variation d'angle d'inclinaison de 1 % correspond à une variation de valeur 6 (en base 10) de la valeur $N$ en sortie du CAN.

Question 1.19

À partir de la figure 22, déterminer la valeur $N_0$ de sortie du CAN correspondant à l'angle d'inclinaison minimal. Calculer la valeur $N_{MAX}$ de sortie du CAN correspondant à l'angle d'inclinaison maximal.