Exercice Sous-partie 1 - Énergie et autonomie · Bac Sciences de l'Ingénieur Métropole 2025 (sujet 1)

Sous-partie 1 – Optimisation de l'autonomie

L'objectif de cette sous-partie est de vérifier le dimensionnement de la batterie et d'analyser les choix de conception permettant d'optimiser l'autonomie du drone.

Partie 1 - Sciences de l'ingénieur

Drone de prises de vues sous-marines

L’étude porte sur un drone submersible permettant de faire des prises de vues sous-marines en haute qualité jusqu’à une profondeur de 150 m, dans une plage de température de -5°C à +35°C. Ce drone embarque une batterie qui lui confère une autonomie importante. Utilisé dans de nombreux domaines tels que l’aquaculture, la défense, les énergies offshore ou l’inspection de navires, il permet aux utilisateurs de rester à la surface de l’eau tout en réalisant des inspections sous-marines.

Le drone est relié par un câble extra-souple à un module de surface (figure 1). Ce câble transmet de manière bi-directionnelle les informations liées au contrôle du drone et à la prise de vue.

Un module de surface est intégré dans l’enrouleur du câble et est connectable, via une liaison WiFi, à un terminal mobile (Android ou iOS) sur lequel une application dédiée réalise l’interface homme-machine permettant:

la transmission des images et la visualisation en temps-réel;

le pilotage du drone.

Le pilotage du drone et sa stabilité sont réalisés au moyen de quatre propulseurs illustrés à la figure 2:

deux propulseurs assurent la poussée longitudinale (vers l’avant ou l’arrière) avec une répartition modulable entre la droite et la gauche;

un propulseur monté dans un carénage traversant assure la correction latérale vers la droite ou vers la gauche;

le propulseur vertical, monté également dans un carénage traversant, assure la propulsion vers le haut ou vers le bas.

Chaque propulseur est constitué d’une hélice montée en prise directe sur un moteur électrique asservi en vitesse.

Le diagramme partiel des exigences du drone sous-marin est représenté sur la figure 3.

Question 1.1

À l'aide de la figure 3, montrer que l'énergie stockée dans la batterie à pleine charge est d'environ $96\text{ W}\cdot\text{h}$.

Le projecteur à LED, positionné sur la face avant du drone, permet d'éclairer les fonds sous-marins avec une intensité lumineuse maximale de $3300\text{ lm}$ (le lumen, symbole $\text{lm}$, est l'unité de mesure de l'intensité lumineuse). La consommation de différents types de sources lumineuses est fournie figure 4.

Intensité lumineuse (lm) · LED · Ampoules halogènes · Tubes fluo et ampoules économiques · Lampes à vapeur de sodium

400-550 · 5 W · 35 W · - · -

800-1100 · 10 W · 80 W · 20 W · -

1400-1800 · 15 W · 120 W · 30 W · -

2200-4400 · 30 W · 200 W · 60 W · 80 W

4800-6600 · 60 W · 400 W · 120 W · 100 W

7200-9900 · 90 W · 550 W · 180 W · 150 W

9600-13200 · 120 W · 750 W · 240 W · 200 W

12800-17600 · 15 W · 900 W · 300 W · 250 W

Figure 4: consommation de différents types de sources lumineuses

Afin d'assurer le fonctionnement du drone, celui-ci est pourvu de différents capteurs (profondeur, température, centrale inertielle). La caméra ainsi que ces capteurs entrainent une puissance consommée de $6\text{ W}$.

Question 1.2

À l'aide de la figure 4, déterminer la puissance consommée par le projecteur à LED. À partir des données de la figure 3, compléter le tableau du document réponse DR1 en y indiquant la puissance consommée pour chacun des éléments.

Éléments du drone · Puissance consommée

Caméra + capteurs · 6 W

Projecteur à LED · W

Propulseur longitudinal gauche · W

Propulseur longitudinal droit · W

Propulseur vertical · W

Propulseur transversal · W

L'autonomie du drone est vérifiée sur un parcours-type: descente pendant 1 minute à la vitesse de $0{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$, avec le propulseur vertical à puissance maximale ($350\text{ W}$);

exploration sous-marine à profondeur quasi-constante, d'une durée de 30 minutes, les deux propulseurs longitudinaux développant en moyenne dans cette phase 15 % de leur puissance maximale;

remontée pendant 1 minute à la vitesse de $0{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$, avec le propulseur vertical à puissance maximale ($350\text{ W}$).

Pendant ces trois phases, les différents autres éléments consomment $40\text{ W}$.

Pour garantir une utilisation optimale de la batterie, le constructeur conseille de ne pas aller au-delà de 10 % de charge restante (batterie déchargée à 90 %).

Question 1.5

Montrer que l'énergie consommée par le drone durant ce parcours-type vaut environ $85\text{ W}\cdot\text{h}$. Conclure quant à la capacité du drone à réaliser le parcours-type, tout en respectant la préconisation du constructeur.