Exercice Sous-partie 2 - Choix B · Bac Sciences de l'Ingénieur Métropole 1 remplacement 2022

Partie 1 - Sciences de l'ingénieur

Mise en situation

Le robot d'assistance opérationnelle Colossus (figure 1) est un robot de soutien technique polyvalent destiné à intervenir dans les zones à risque aux côtés des sapeurs-pompiers.

Figure 1: le robot Colossus en intervention

Figure 2: exemple de configuration du robot Colossus

Grâce à sa plateforme à chenilles offrant des capacités de franchissement exceptionnelles et à un canon à eau motorisé ultra-puissant (figure 2), le robot Colossus est capable d'éteindre un feu à distance.

Il est facilement pilotable avec sa caméra et son système d'éclairage puissant à l'avant.

Sa plateforme modulable associée à un large choix d'équipements optionnels permet d'assister les pompiers dans une grande variété de missions en limitant l'exposition aux risques des personnes (figure 3).

Figure 3: plateforme modulable Colossus

La modularité (figure 4) est assurée par:

un large choix d'équipements pour s'adapter au besoin d'intervention;

un système de fixation réglable sur rail et sans outil de l'ensemble des équipements.

Figure 4: exemples d'équipements optionnels Colossus

Le robot Colossus d'assistance opérationnelle a été utilisé lors de l'incendie de la cathédrale Notre-Dame de Paris pour éteindre les flammes, au moment où la flèche menaçait de s'effondrer. Les pompiers de Paris ont fait intervenir ce robot afin d'éteindre le feu et de faire baisser la température à l'intérieur de la nef (figure 5).

Le robot Colossus de Shark Robotics bénéficie du retour d'expérience de la Brigade des Sapeurs-Pompiers de Paris (BSPP).

Figure 5: le robot Colossus lors de l'incendie de Notre-Dame de Paris - 15 et 16 avril 2019

Créé en 2016, Shark Robotics est le spécialiste français de la robotique terrestre. Grâce à son savoir-faire de pointe, cette entreprise conçoit et fabrique en France, à La Rochelle, des robots haut de gamme conjuguant puissance, fiabilité et robustesse.

Son expertise en robotique et en mécanique de précision lui permet de proposer à la fois des robots dits « catalogue » et des robots sur-mesure répondant aux besoins spécifiques de ses clients (figure 6). Shark Robotics intervient notamment dans les domaines de la sécurité, de la défense, de l'industrie, de l'énergie et du nucléaire.

Figure 6: la gamme de robots Shark

Ce sujet vise à vérifier les performances actuelles du robot Colossus, pour les comparer avec les attendus du cahier des charges.

Les principales caractéristiques techniques annoncées par le constructeur de la dernière évolution de ce robot configuré avec le canon à eau et la tourelle vidéo (figure 7) sont données sur le diagramme partiel des exigences (figure 8).

Figure 7: Colossus version canon à eau + tourelle vidéo

Il faut s'assurer que les caractéristiques du robot Colossus sont conformes aux attentes:

fiabilité des échanges d'informations entre les sapeurs-pompiers et le robot;

capacités de déplacement en milieu difficile;

portée du canon à eau.

Les trois sous-parties visent à s'assurer de la réponse donnée à ces besoins.

Figure 8: diagramme partiel des exigences du robot Colossus avec canon à eau et tourelle vidéo

Sous-partie 2 – choix B

Portée du canon à eau

L'objectif de cette partie est de programmer le système de contrôle du canon à eau pour maîtriser la portée du jet d'eau.

Une projection d'eau ayant pour but de maîtriser un foyer d'incendie peut être modélisée comme une masse ponctuelle projetée avec une vitesse initiale non nulle dans un champ de pesanteur (figure 18).

Si les frottements dans l'air sont négligés, la trajectoire obtenue est de type parabolique avec un maximum correspondant à la flèche $\Delta Y$ et une chute à l'axe vertical $\Delta X$ dite portée. Une expérimentation a permis de relever la trajectoire du jet d'eau projeté par le robot Colossus avec une vitesse initiale de l'eau $v_0$ relevée à 24 m·s⁻¹ et pour un angle d'orientation du canon à eau $\alpha$ de 45°. Ce relevé est donné sur le document réponse DR2.

Question 1.14 (DR2)

Identifier sur le document réponse DR2, la flèche $\Delta Y$ et la portée $\Delta X$ du jet d'eau. Indiquer les valeurs numériques de ces grandeurs caractéristiques identifiées lors de cet essai.

Les relations caractérisant la flèche et la portée d'une trajectoire parabolique en partant d'une altitude nulle sont les suivantes:

$$\Delta Y = \frac{v_0^2 \times \sin^2(\alpha)}{2 \times g} \quad \text{et} \quad \Delta X = \frac{v_0^2 \times \sin(2\alpha)}{g}$$

Question 1.15

Calculer la flèche $\Delta Y$ et la portée $\Delta X$ théoriques du jet d'eau à partir de leurs relations pour une vitesse initiale de l'eau $v_0$ de 24 m·s⁻¹ et un angle d'orientation du canon à eau $\alpha$ de 45°. Quantifier les écarts des résultats expérimentaux par rapport aux résultats théoriques.

Il existe des bornes incendie offrant un débit de 1 000 l·min⁻¹ et des camions pompe délivrant un débit bien plus important de 3 000 l·min⁻¹. Le robot peut être branché indifféremment à l'une de ces alimentations en eau. Il régule alors la vitesse de sortie de l'eau à 17 m·s⁻¹ s'il est connecté à une borne incendie ou à 24 m·s⁻¹ s'il est connecté à un camion pompe. Malgré ces différences, l'utilisateur doit pouvoir régler facilement la portée du tir du canon à eau.

En vue d'améliorer la programmation comportementale, un programme capable de régler automatiquement l'angle de tir pour la portée choisie va être conçu, quel que soit le débit d'eau utilisé.

Détermination des paramètres pour une portée de tir de 30 mètres

Les essais pour différents angles de tir avec une vitesse initiale de l'eau $v_0$ de 17 m·s⁻¹ et pour objectif une projection du jet d'eau à 30 m sont représentés figure 19.

Les essais pour différents angles de tir avec une vitesse initiale de l'eau $v_0$ de 24 m·s⁻¹ et pour objectif une projection du jet d'eau à 30 m sont représentés figure 20.

Question 1.16 (DR3)

Relever sur le document réponse DR3 les hauteurs initiales des jets d'eau des trois essais expérimentaux présentés. Argumenter avec ces résultats, sur les écarts entre les valeurs expérimentales et théoriques de la flèche $\Delta Y$ et de la portée $\Delta X$ du jet d'eau trouvées aux questions 1.13 et 1.14.

Question 1.17

Déduire des courbes des essais de projection du jet d'eau à 30 m, parmi les angles testés, ceux qui permettent la meilleure précision pour une vitesse initiale de l'eau $v_0$ de 17 m·s⁻¹ et pour une vitesse initiale de l'eau $v_0$ de 24 m·s⁻¹.

Programmation d'une portée de tir de 30 mètres

Le sapeur-pompier doit pouvoir choisir la portée du jet d'eau sur la station de contrôle NX-SHARK avec des boutons poussoirs facilement accessibles. Les questions suivantes vont permettre de construire le programme assurant un réglage de la portée à 30 mètres. Un bouton permet ce réglage en mettant à l'état haut une variable binaire «Portée_30m» et lance un programme «Réglage_tir_30_mètres». Un servomoteur incline alors la lance à eau avec l'angle qui assure une projection à environ 30 mètres quelle que soit la source d'approvisionnement en eau.

La vitesse initiale de l'eau est acquise sur le robot Colossus par un capteur mettant une variable binaire «Vitesse_17» ou une variable binaire «Vitesse_24» à l'état haut selon la vitesse initiale de l'eau. L'angle d'inclinaison du canon à eau se règle avec la commande numérique d'un servomoteur d'inclinaison. Il faut programmer une valeur numérique comprise entre 0 et 1 023 pour commander un angle d'inclinaison compris entre 0 et 45°.

Question 1.18

Déterminer, à partir des réponses à la question 1.16 et des caractéristiques de commande du servomoteur d'inclinaison du robot Colossus, les deux valeurs numériques correspondantes à: $\alpha_{17}$ (angle d'inclinaison du canon adapté pour un tir à 30 m avec une vitesse initiale de l'eau de 17 m·s⁻¹) et $\alpha_{24}$ (angle d'inclinaison du canon adapté pour un tir à 30 m avec une vitesse initiale de l'eau de 24 m·s⁻¹).

Ces valeurs d'angles vont permettre de compléter le sous-programme de réglage du tir à 30 m en Python donné sur la figure 22.

La signification des instructions utilisées est décrite dans le tableau suivant:

Capteur == True · Prend l'état logique '1' si la variable « Capteur » est activée

angle_canon.write_analog(518) · Impose une valeur à la sortie « angle_canon » comprise entre 0 et 1 023, dans cet exemple: 518

Question 1.19 (DR3)

Compléter le programme sur DR3 avec les instructions et les valeurs numériques nécessaires.

def Reglage_tir_30m():

if Vitesse_17 == True:

angle_canon.write_analog( ____)

elif ________________:

________________________________

À partir du travail effectué pour régler automatiquement le tir avec la portée de 30 mètres en tenant compte du branchement à la source d'eau sous pression, il est possible d'améliorer le programme de réglage du canon à eau pour répondre à toutes les demandes de portée de tir du sapeur-pompier.

Question 1.20

Indiquer les paramètres d'entrée de la fonction et la grandeur physique à contrôler qui sont nécessaires au programme amélioré, pour assurer un réglage libre de la portée du tir par le sapeur-pompier pilote.