Le Lycée Pilote Innovant International a inauguré des nouvelles salles dédiées au projet Futur Classroom Lab (FCL) dans le cadre d’un projet européen d’European Schoolnet. Elles sont progressivement équipées de moyens innovants qui permettent dors et déjà de multiples expérimentations pédagogiques pour faire évoluer les pratiques vers les compétences du 21ième siècle. Par exemple, des chaises à roulettes (fournies par notre partenaire DPC) permettent d’imaginer de nouveaux scénarios pédagogiques où les élèves sont plus mobiles, des murs sont transformés en tableaux blancs géants, un système de visioconférence (offert par notre partenaire Polycom) permet de communiquer partout dans le monde. Cette classe du futur correspond à 200 m² équipés et structurés pour enseigner et apprendre autrement.

Un des espaces de cette FCL est dédié au travail créatif. Il est donc logique d’y implanter un FabLab permettant de concevoir et fabriquer des objets. Sa création est menée par une douzaine d’élèves dans le cadre d’Activités Complémentaires de Formation, encadrée par un enseignant en Sciences de l’Ingénieur. Mais le FabLab du LP2I s’adresse à tous les élèves et tout le personnel du LP2I. Tout le matériel nécessaire est mis à disposition, aussi bien les outils que les composants. Les solutions numériques modernes sont privilégiées : modélisation 3D, impression 3D, programmation de cartes électroniques de type Arduino, …

Le FabLab du LP2I ouvre ses portes une fois par semaine. Des débutants et des personnes plus expérimentées peuvent se rencontrer et faire vivre l’esprit des Makers, du Do It Yourself. C’est un nouvel espace propice à la découverte et à la création collaborative. Il peut aider les élèves à construire leur projet d’orientation dès la seconde.

Une des particularités de ce FabLab est de chercher des solutions techniques et pédagogiques facilement transférables dans la plupart des établissements scolaires, en France ou à l’étranger, en tenant compte de leurs contraintes financières, de leurs besoins pédagogiques, … L’imprimante 3D choisie est un modèle performant mais adapté aux débutants, livrée en kit pour 930 €. Les composants pour les projets sont standards et bon marché. Les logiciels utilisés sont gratuits, ouverts, et libres si possible : Onshape pour la modélisation 3D, Blockly Arduino pour la programmation, …

Un premier projet vient de commencer : concevoir et fabriquer des drones autonomes, à vocation pédagogique, et low cost. Un collège est déjà intéressé par ce projet, ainsi que deux FabLabs de Côte d’Ivoire.

Le Parc du Futuroscope est intéressé aussi pour renouveler son offre pédagogique en partenariat avec le FabLab du LP2I.

 Analyse du Drone AR Parrot

1     Système choisi : AR Drone Parrot 1.0

Drone AR Parrot avec sa coque de protection

Drone AR Parrot avec sa coque simple

AR Drone Parrot (avec ses coques prévues pour l’extérieur/intérieur) (Source : LP2I)

Vidéo de présentation du drone : https://www.youtube.com/watch?v=RrWRVAqNgUQ

 2     Analyse du besoin

 2.1      Fonction globale

Ce drone est prévu pour voler en intérieur et en extérieur tout en enregistrant des images et en étant piloté via un smartphone avec une application gratuite, téléchargeable sur Android et iOS.

 2.2      Fonctions de service et contrainte

Diagramme bête a corne du drone AR Parrot.

Source : diagramme « bête à cornes »,LP2I

Diagramme pieuvre du drone AR Parrot.

Source : diagramme « pieuvre » LP2I

 3     Analyse du système

 3.1      Fonctionnement, vu de l’utilisateur

Capture d’écran via AR.Freeflight sur Google Play Store

Capture d’écran via AR.Freeflight sur Google Play Store

Capture d’écran via AR.Freeflight sur Google Play Store

Source : Capture d’écran de l’application AR.Freeflight, Google Play Store

L’utilisateur télécharge l’application de pilotage AR.Freeflight du drone sur Internet s’il est déjà en possession d’un smartphone Android ou iOS. La connexion entre le drone et le smartphone s’effectue via une connexion Wi-Fi. Une fois la connexion effectuée, l’utilisateur voit en direct sur son smartphone ce que « voit » la caméra frontale du drone comme s’il était dans un cockpit. Le pilotage d’effectue grâce aux deux joysticks tactiles ci-dessus, l’un pour l’altitude l’autre pour la direction. Si la liaison Wi-Fi vient à se couper, le drone dispose d’un pilote automatique qui le posera en douceur. L’autonomie du drone est de 12 minutes environ pour un temps de charge de 1h30.

 3.2       Matière d’œuvre et valeur ajoutée.

Le drone est équipé d’une caméra à grand angle (93°) de 640×480 pixels, qui lui permet de retransmettre en direct les images qu’elle « voit » sur le smartphone de l’utilisateur mais aussi d’enregistrer les images filmées ainsi que le lieu et la date de l’enregistrement.

 4     Quelques fonctions techniques et solutions techniques

 4.1      Interface de dialogue

– Fonction technique : Dialoguer avec l’utilisateur

– Solution technique : Retransmettre en direct les images que voit le drone sur le smartphone de l’utilisateur via une caméra et une connexion Wi-Fi.

 4.2      Capteurs

– Fonction technique : Acquérir des informations sur l’altitude à laquelle se trouve le drone.

– Solutions techniques : Altimètre à ultrason (40 kHz)

 4.3      Moteurs

– Fonction technique : Générer une action mécanique pour faire voler le drone.

– Solutions techniques : Quatre moteurs sans balai brushless (35 000 tr/min 15 W)

 4.4      Alimentation

– Fonction technique : Alimenter en énergie électrique de manière autonome

– Solution technique : Batterie au Lithium-polymère (11,1 V, 1 000 mAh)

 5     Analyse de l’altimètre à ultrason

Le drone peut calculer à quelle distance il se trouve du sol et retransmettre cette donnée en direct grâce à l’altimètre à ultrason. Il s’agit tout simplement d’un émetteur et d’un récepteur d’ondes ultrason, inaudibles à l’oreille humaine, situés sous le drone.

AR Drone Parrot avec sa coque de protection

Source : Wikipedia

Principe de fonctionnement du capteur

L’émetteur va emmètre des ondes ultrason qui vont mettre un certain temps à se réfléchir sur le sol et plus le drone est en altitude, plus les ondes vont mettre de temps à rebondir contre le sol et à revenir vers le récepteur. Le drone n’a plus qu’à calculer l’altitude du drone en fonction du temps qu’ont mis les ondes ultrasons à se réfléchir sur le sol. Ce calcul se faisant quasi-instantanément, du point de vu de l’utilisateur, c’est en direct.

Photographie d’un émetteur/récepteur à ultrasons

Exemple d’émetteur/récepteur ultrasons, Source : ronan-chardonneau.fr

Schéma fonctionnel de l’émetteur/récepteur à ultrasons

Principe de fonctionnement d’un altimètre à ultrason (LP2I)

6  Impact environnemental

– Le drone consomme très peu d’énergie électrique car il fonctionne sur batterie

– Le drone est fabriqué principalement à partir de fibre de carbone et de polypropylène expansé qui sont des matériaux recyclables.

– Les pièces mécaniques du drone sont en plastique, issu du pétrole, une ressource en voie d’épuisement.

Félix.H et Quentin.D

Nous avons étudié un système qui s’appelle la centrale houlomotrice. La centrale houlomotrice produit de l’électricité grâce à l’énergie mécanique des vagues et le redistribue dans un réseau de distribution par des câbles situés sur le sol marin. Ce système est très utilisé dans les zones côtières à forte agitation (beaucoup de vagues) comme la Bretagne ou d’autres régions du monde comme l’Australie. Contrairement au centrale nucléaire, la centrale houlomotrice est écologique, autonome et ne nuis pas a son environnement. Malgré tout ça la centrale à quelques contraintes, elle doit pouvoir résister aux intempéries, a la corrosion et au fouling. Si la centrale rencontre un problème au niveau du dispositif sous marin, une commande de besoin de maintenance va être envoyée au dispositif depuis le centre de commandes et si le résultat de la commande est positif, le dispositif va émerger pour faciliter la réparation ou maintenance.

FS : Fonction de service
CS: Contraintes

Voici une vidéo explicative de la centrale : https://www.youtube.com/watch?v=Z11mbfiC66o

Auteurs : DUMAN Inan et THOREAUX Nathan

Husquvarna Automower 430x

Fonctions de l’objet étudié

Nous avons fait une analyse fonctionnelle d’un aspirateur robot .

Une tondeuse autonome a les fonctions d’une tondeuse ordinaire (tondre l’herbe) mais d’une façon autonome (sans l’intervention de l’Homme). De plus, elle est moins bruyant qu’une tondeuse à moteur thermique.

Pour configurer la tondeuse autonome Husqvarna AUTOMOWER 430x, , cette dernière est équipé d’une interface avec des boutons et un écran LCD pour contrôler la tondeuse .

Représentation de l’interface de la tondeuse . Image provenant du manuel d’utilisation

Ces composants répondent à la fonction d’usage Comment contrôler la tondeuse ? , ce qui lui permettra de pouvoir être contrôlée sans smartphone , car elle peut aussi être contrôlée via un smartphone .

La prise pour recharger est située à l’avant , le robot se met dans une station de charge , qui lui sert également pour se repérer .

Pour avancer , le robot avance aléatoirement jusqu’à croiser un cable , qui lui indique la limite du terrain . il doit donc faire demi tour pour continuer , jusqu’à ce qu’il retourne sur la station de charge , soit car le délai pour tondre est terminée , soit car l’utilisateur a renvoyé le robot sur la base ( bouton PARK ou via son smartphone . )

Il est composé de lames , pour couper l’herbe, de capteurs divers pour voir si la tondeuse n’est pas levé (pour arrêter les lames) , pour voir si le câble est proche pour retourner a la base , etc …

Il possède également une puce GPS pour pouvoir être repéré via smartphone .

Et d’une puce internet pour pouvoir recevoir des instructions du smartphone .

L’appareil doit être également élégant pour attirer une clientèle , surtout vu le prix de plus de 3000€ .

L’herbe est coupée et non arraché, de manière homogène mais n’est pas récupérée par la tondeuse.

Concernant l’interface de la tondeuse , la solution technique est constituée de boutons poussoirs , ainsi qu’un écran LCD permettant l’acquisition d’information sur le choix de l’utilisateur (mode de fonctionnement) et d’informer l’utilisateur.

La fonction technique des capteurs est , eux , d’acquérir des informations sur l’environnement de la tondeuse (obstacle devant la tondeuse, soulèvement de la tondeuse) , les solutions étant des capteurs ultrasoniques .  

Le déplacement est assuré par des moteurs , la fonction technique est de générer une action mécanique pour déplacer le robot , la solution est 2 moteurs électriques .

L’alimentation est elle assuré par une batterie au lithium-ion , dont la fonction technique est d’alimenter en énergie électrique la tondeuse de manière autonome .

Son impact environnemental est relativement élevé , car même si la tondeuse fonctionne sur batterie , elle contient bien plus de composants électroniques, chère à produire et polluants , comme la batterie dont la fabrication est très polluante , et la coque est faite de pétrole , une ressource en voie d’extinction .

Système de coupe de la tondeuse Automower 430x

(source : Les Numériques )

Enfin , pour couper l’herbe , elle utilise des lames circulaires fonctionnant par inertie .

Sources additionnelles :

Application – AUTOMOWER CONNECT

https://www.youtube.com/watch?v=pADyVgU2EF4

Présentation et test – HUSQVARNA AUTOMOWER 330X

https://www.youtube.com/watch?v=RXfcSe0407A

https://www.youtube.com/watch?v=Dp_dW0ywveU

Présentation système de coupe

https://www.youtube.com/watch?v=qXknnKAbsDQ

Présentation système de recharge.

https://www.youtube.com/watch?v=px-ybuClf3A

Présentation global

Une centrale nucléaire à réacteur à eau pressurisé est une centrale qui produit de l’énergie grâce à de la vapeur d’eau, chauffé par de l’uranium enrichie, qui actionne une turbine, qui transmet l’énergie mécanique à un générateur, qui produit de l’électricité.

Fonctionnement général

Légende et source à préciser

Schéma de principe d’une centrale nucléaire REP. ( Wikipédia )

Analyse du besoin

          Fonction globale

La centrale nucléaire doit fournir de l’énergie sur un réseau électrique à partir d’uranium enrichi.

         Fonctions de service et contrainte

. Être proche de la mer ou d’un cour d’eau

. Avoir une enceinte de sécurité de 10 km

. Produire un maximum d’énergie avec un minimum d’uranium enrichie

. Respecter les normes de sécurité

. Produire le moins de déchet possible

. Respecter des normes de taux de radioactivité dans l’eau rejeté.

Analyse du système

       Fonctionnement, vu de l’utilisateur

Pour l’utilisateur ( EDF par exemple ) la centrale nucléaire produit de l’électricité pour la distribuer sur le réseau électrique.

      Matière d’œuvre et valeur ajoutée

La centrale nucléaire agit sur de l’eau, qu’elle transforme en vapeur grâce à de l’uranium enrichis.

      Flux

– Sur ce schéma fonctionnel on représente des flux d’informations (en rouge ici) et des flux d’énergie (en vert ici).

Quelques fonctions techniques et solutions techniques

       Mur d’enceinte

L’enceinte protectrice du noyau d’une centrale nucléaire est faite d’acier et de béton armé. Cette enceinte est construit pour éviter les fuites radioactive en cas d’accident tel que la fusion du noyau. Les nouveaux Réacteurs pressurisés européen (EPR) possède une enceinte de confinement composée de deux parois de béton: une paroi interne en béton précontraint ( technique de construction qui permet le renforcement du béton), recouverte d’une peau métallique coté intérieur et une paroi externe en béton armé, chacune de ces parois a une épaisseur de 1,3 mètre.

      Système de refroidissement

Lors de la sortie du deuxième circuit l’eau sous forme de vapeur traverse le circuits de refroidissement avant de retourné dans le deuxième. La vapeur passe par un condensateur qui transforme la vapeur en eau liquide. Se condensateur est composer d’un tuyaux qui ramène la vapeur d’eau et un autre tuyaux ,qui lui, vient pomper de l’eau froide dans une source (fleuves, rivière) et la fait passer dans le condensateur pour refroidir la vapeur. L’eau froide réchauffer par le condensateur est rejeté dans une cheminée avec un système aéroréfrigérants.

Vidéo EDF : https://www.youtube.com/watch?v=xp3KP1YPnqU

Analyse du capteur de chaleur

Il y a plusieurs types de sondes de chaleur aux niveaux du circuits primaire celle que l’on va étudier se situe aux niveaux entre le réacteur et le pressuriseur . C’est une sonde de type à temps rapide c’est à dire que le la prise et l’envoie de l’information se fait plus rapidement qu’une sonde standard ; Ce qui permet de mesurer avec beaucoup de précision les variation de température et régulé la pression en conséquence.

 Impact environnemental

Une centrale nucléaire rejette de nombreux déchets classifiés en plusieurs catégories :

• Les TFA, ou déchets très faiblement actifs, issus principalement de matériaux contaminés issus de démantèlement de centrale.

• Les déchets de classe A, ce sont des déchets à vie courte, avec une faible ou moyenne activités. Ils leurs faut 300 ans pour perdre leur radioactivité. Ils représentent environ 90 % des déchets produit en France. Ils sont compacté dans des fûts et stocké en surface.

• Les déchets de classe B et C, ce sont des déchets a vie longue avec une très haute radioactivité, il leurs faut plusieurs millier voir centaine de millier d’année pour la perdre. Ils sont enfoui sous une couche de bitume ou de verre. Ils représentent 10% du volume total de déchets.

De plus, les rejets liquides et gazeux autorisés contaminent les sols et les nappes phréatiques.

Cependant, une centrale nucléaire émet beaucoup moins de CO₂ que d’autre moyen de production non renouvelable. En effet elle produit 6 gramme de CO2 par KWh pour 978 pour le charbon.

Le LP2I a inauguré le 5 juillet 2016 les nouvelles salles entièrement dédiées à son projet Futur Classroom Lab qui permettront de multiples expérimentations pour faire évoluer nos pratiques pédagogiques vers les compétences du 21 ième siècle.
Ces salles sont déjà en partie équipées de moyens innovants. Un des objectifs pour cette année scolaire 2016-2017 est de mettre en place un FabLab dans ces nouveaux locaux. Ce FabLab permettra aux élèves de concevoir et fabriquer des objets avec des moyens de prototypage rapide, notamment une imprimante 3D. La création de ce FabLab sera menée avec l’aide d’élèves motivés par ce projet. Nous espérons que dès la rentrée de septembre 2016, un groupe d’au moins une dizaine d’élèves prendra en main ce projet dans le cadre des ACF (Activités Complémentaires de Formation). Les objectifs envisagés aujourd’hui pour ce projet ACF FabLab sont décrits ci-dessous.

– Définir la démarche de création du FabLab du LP2I
L’objectif est de proposer une démarche utilisable dans la plupart des établissements scolaires, en tenant compte des partenariats spécifiques qui peuvent être développés dans les établissements.

– Définir les moyens nécessaires
Les moyens choisis devront prendre en compte les contraintes fortes que connaissent les collèges et les lycées, notamment sur le plan financier. Il faudra choisir des solutions optimums que nous pourrons conseiller à tous les établissements (collèges et lycées) qui souhaitent se lancer avec un budget très limité. Nous écarterons les solutions ultra low-cost qui peuvent donner des résultats décevants ou être trop complexes à l’usage. Par exemple pour l’achat d’une nouvelle imprimante 3D, nous choisirons le meilleur matériel à moins de 1000 € permettant une utilisation simple et satisfaisante.
Je propose par exemple l’imprimante 3D Hephestos 2 de BQ, vendue en kit pour 850 €, qui peut être assemblée en moins de 5 h par une personne sans compétences particulières.

Imprimante 3D Hephestos 2, livrée en kit pour 850 € (source : les imprimantes3d.fr)

Dans le souci d’innover, du matériel plus innovant devra être envisagé comme ce scanner 3D low-cost (250 €).

– Créer des tutoriels pour faire vivre un FabLab :
. comment assembler l’imprimante 3D achetée en kit,
. comment mettre en oeuvre cette imprimante 3D dans le cadre d’activités pédagogiques,
. comment concevoir des objets constitués de pièces imprimées, conçues avec des logiciels gratuits comme BlocksCAD, ou OnShape,
. comment concevoir des objets motorisés, interactifs, communicants, pilotés par une carte électronique programmable de type Arduino, avec des logiciels libres et gratuits, notamment Blockly Arduino et App Inventor 2.

A chaque fois on prendra en compte les besoins des utilisateurs souhaitant se limiter à une utilisation basique du FabLab (voire une simple activité de découverte en 1 h ou 2 h pour un groupe d’ado.), et ceux souhaitant en faire une utilisation plus avancée avec une progression sur l’année.

– Développer l’aspect international et culturel de ce FabLab :
. développer des échanges et des coopérations avec des établissements étrangers (2 lycées de Côte d’Ivoire sont déjà intéressés par de tels échanges), grâce à Internet mais aussi en développant l’usage de la visioconférence,
. se questionner sur les aspects interculturels, économiques, développement durable, …

Programmation de cartes Arduino dans un FabLab en Côte d’Ivoire (dans les lycées techniques d’Abidjan et de Bouaké) créé par Eric Assi, enseignant (source : facebook.com/FamaLAB.ci/)

Les personnes intéressées par ce projet de création d’un FabLab au LP2I ne doivent pas hésiter à laisser un commentaire.

Daniel Pers, enseignant en Sciences de l’Ingénieur au LP2I

J’ai participé à une réunion sur le développement d’une formation pour les enseignants sur le thème de la robotique et de la programmation, sur la plateforme M@gistère de l’Académie de Poitiers.

Cela a été l’occasion pour moi de commencer à faire le point sur mes choix actuels et mes propositions pour l’avenir en ce qui concerne l’enseignement de la robotique et de la programmation. Je précise tout de suite que je suis convaincu que de nombreux choix peuvent être communs pour le niveau collège et le niveau lycée.

Cet article est en cours de rédaction !

1) Présentation de ma situation actuelle

– J’enseigne les Sciences de l’Ingénieur au Lycée Pilote Innovant International de Jaunay-Clan (près de Poitiers).
Je gère depuis 2012 le blog de la SI au LP2I.
– J’ai effectué depuis 3 ans un complément de service en Technologie au collège Jean Macé de Châtellerault. Je n’enseignerai pas au collège l’année prochaine.
Je gère depuis 2013 le blog de la techno au collège Jean Macé.

2) Matériel utilisé pour les activités en robotique et programmation
– Carte électronique programmable

Je travaille avec Arduino depuis 3 ans, aussi bien au lycée qu’au collège.

Je conseille d’utiliser des cartes Arduino qui sont compatibles avec le design de référence actuel, à savoir l’Arduino Leonardo. Il s’agit des cartes Arduino Micro (mon choix), Arduino Roméo (dont le circuit L298 est obsolète), Arduino Yun (dont l’alimentation ne possède pas de régulateur 5V mais qui est très intéressante quand même).

L’arduino Micro utilise le même schéma électrique et les mêmes composants que l’Arduino Léonardo (mais pas la même connectique).

Je conseille d’utiliser cette Arduino Micro avec la carte d’entrée/sortie DFR0012 de DFRobot :
http://www.gotronic.fr/art-shield-e-s-dfr0012-pour-nano-19256.htm
http://www.dfrobot.com/wiki/index.php/Arduino_Nano_IO_Shield_(SKU:_DFR0012)
http://www.dfrobot.com/index.php?route=product/product&keyword=DFR0012&category_id=0&description=1&model=1&product_id=68

L’ensemble DFR0012 + Arduino Micro remplace avantageusement une Arduino Leonardo avec une autre carte d’entrée/sortie, essentiellement pour des questions de connectique et de modularité, mais aussi de prix.
Il existe aussi une solution low cost pour remplacer la DFR0012 :
http://www.banggood.com/5Pcs-Multi-Function-Funduino-Nano-Shield-Nano-Sensor-Expansion-Board-p-970410.html (attention lot de 5)
La connectique est un peu plus courte : 4 broches de moins (inutiles), mais compatible Arduino Micro.
– Imprimante 3D

J’utilise une Tobeca 2 depuis 2 ans et j’envisage l’achat d’une imprimante 3D de marque BQ (une Hephestos 2 à 850 €, en kit).

Mise à jour du 11/09/2016 : J’ai rédigé ici un article sur notre projet de création d’un FabLab au LP2I.

– Autre matériel utilisé

Article présentant une partie du matériel que j’utilise au lycée et au collège.

3) Logiciels utilisés pour les activités en robotique et programmation

– Programmation Arduino
Après deux années d’utilisation d’Ardublock, je suis passé sur Blockly Arduino développé par Sébastien Canet, enseignant en Technologie, et formateur, dans l’académie de Nantes.

Article présentant l’intérêt pour moi du logiciel Blockly Arduino.

– Modélisation 3D

Je cherche depuis 2 ans une alternative à SolidWorks. J’ai choisi cette année ces deux logiciels :
. BlocksCAD
Il s’agit d’un logiciel conçu pour faire de la modélisation en 3D avec des enfants, avec le principe du logiciel Scratch.
C’est une application web libre et gratuite, traduite en français, basée sur blockly et OpenSCAD.
J’ai déjà écrit un premier article sur BlocksCAD.

. Onshape
C’est un nouveau logiciel professionnel de CAO 3D, sorti en décembre dernier qui a pour objectif de concurrencer directement SolidWorks avec une approche originale et innovante. Il est compatible en import et en export avec de nombreux logiciels dont SolidWorks. C’est une application Web dont l’usage est gratuit pour un usage pédagogique, sans aucune limitation. Des applications multi-plateforme existent pour tablettes et smartphones (y compris pour éditer des modèles 3D). Onshape me semble complémentaire de BlocksCAD pour un FabLab équipé d’une imprimante 3D, que ce soit au lycée ou au collège.
Je suis en train de découvrir Onshape. Je souhaite écrire prochainement un premier article sur Onshape pour faire connaitre ce logiciel qui marquera probablement un tournant dans la CAO 3D, notamment dans l’enseignement et dans les FabLabs où les moyens manquent pour acheter des licences ou des ordinateurs performants.
Lien vers l’application web Onshape.
Lien vers l’application Onshape pour Androïd.

Mise à jour du 11/09/2016 : j’ai rédigé ici un nouvel article sur Onshape.

4) Propositions pour le choix des moyens à utiliser pour enseigner la robotique et  la programmation au collège et au lycée
– Privilégier le matériel et les logiciels open source.
– Privilégier le matériel et les logiciels compatibles Arduino qui est devenu un standard de fait.
– Privilégier la carte Arduino Leonardo et ses dérivés (l’Arduino Micro notamment) qui correspond au design de référence actuellement. L’Arduino Uno est obsolescente (et n’utilise pas un câble USB micro standard).
– Privilégier les logiciels de programmation graphiques, avec une syntaxe proche de Scratch, devenu un standard de fait. La programmation en langage C est hors programme, aussi bien au collège qu’au lycée pour la filière S.
– Privilégier les logiciels de programmation permettant aux enseignants (directement ou avec l’aide d’autres enseignants) de créer leurs propres blocs sans utiliser des outils logiciels complexes, et sans avoir à passer par une entreprise marchande. ce n’est malheureusement pas le cas d’Ardublock.

– Privilégier une utilisation de l’imprimante 3D comme moyen de prototypage rapide permettant de valider des solutions techniques de manière authentique, avec de la fabrication de pièces ayant un véritable rôle dans la chaîne d’information ou la chaîne d’énergie du système (par exemple des pièces permettant de transmettre un mouvement).

– Privilégier des supports low cost utilisables dans les établissements disposant de peu de moyens.

– Privilégier les supports motivants pour les élèves.

5) Proposition de parcours de formation en robotique et programmation au collège et au lycée

5.1) Approche fonctionnelle

Chaîne d’information et chaîne d’énergie.

Solutions techniques associées à chaque fonction.

Exemple de support possible : robot aspirateur

Schéma fonctionnel partiel d’un robot aspirateur : il représente des flux d’informations (en vert ici) et des flux d’énergie (en rouge ici). Source : LP2I

Document présentant quelques rappels sur la chaîne d’information et la chaîne d’énergie d’un robot aspirateur :

Chaine d’énergie et chaine d’information 120616

5.2) Solutions techniques pour acquérir des informations et générer des commandes pour la chaîne d’énergie

– Cas d’un capteur de type Tout Ou Rien

Exemple = capteur de collision.

– Cas d’un capteur analogique

Exemple = capteur de vide qui permet d’acquérir la distance entre le robot et le sol.

– Démarche expérimentale

Moyens matériels nécessaires = carte Arduino + câble USB + capteur de type tout ou rien (un simple contact suffit, sinon on peut simuler avec le clavier du PC).

Moyens logiciels = application web Blockly Arduino.

Interface de dialogue = écran du PC

– Ressources documentaires

A compléter

5.3) Solutions techniques pour alimenter la chaîne d’énergie et piloter des actionneurs

– Cas d’un servomoteur

C’est une solution simple qui intègre un moteur à courant continu, un réducteur (qui permet de réduire la vitesse de rotation et d’augmenter le couple), une interface de puissance, un capteur de position qui permet de commander un servomoteur directement en position. La rotation est généralement limitée à environ 180°.

Il existe aussi des servomoteurs commandés en vitesse appelés servomoteurs à rotation continue.

Un servomoteur peut être directement commandé par une carte Arduino. Sa tension nominale d’alimentation est généralement de 5V ce qui en simplifie la mise en oeuvre avec une carte Arduino.

. Approche expérimentale

Matériel nécessaire : une carte Arduino + un câble USB + un petit servomoteur low-cost type SG90 par exemple.

– Cas d’un moteur à courant continu avec une interface de puissance permettant de contrôler le sens de rotation et la vitesse de rotation.

. Approche expérimentale

Matériel nécessaire : une carte Arduino + un câble USB + une interface de puissance moteur standard + un petit motoréducteur basse tension (fonctionnant sous 5V pour éviter une deuxième alimentation en plus de l’USB).

5.4) Concevoir des pièces mécaniques pour transmettre un mouvement issu d’un actionneur

– Utilisation de BlocksCAD et de OnShape

Mise à jour du 11/09/2016 : j’ai rédigé ici un nouvel article sur Onshape.

5.5) Fabriquer rapidement le prototype d’un mécanisme pour valider une solution

– Utilisation d’une imprimante 3D

Article en cours de rédaction !

Nous sommes un groupe de quatre élèves et allons vous présenter le pont que nous avons étudié durant quelques heures. Nous essaierons de répondre aux questions suivante :

Quelles sont les solutions innovantes retenues par le constructeur pour obtenir les performances souhaitées ? Ces solutions vous paraissent-elles correspondre à un bon compromis en terme de développement durable ?

Sommaire :

I. Présentation

Situation géographique :

Le pont Jacques-Chaban-Delmas, se situe à Bordeaux, c’est un pont levant franchissant la Garonne entre le pont de pierre et le pont d’Aquitaine, il se situe dans le prolongement de la rue Lucien-Faure et relie le quai de Bacalan au quai de Brazza, au nord de La Bastide, d’où son nom initial de pont Bacalan-Bastide. 

Période de construction :

Les travaux se sont déroulés d’octobre 2009 à fin décembre 2012. L’ouvrage a été mis en service et ouvert à la circulation le lundi 18 mars 2013, deux jours après son inauguration.

Description du pont :

Le pont présente une longueur totale de 575 mètres avec 433 mètres de pont principal et 117 mètres de travée levante permettant de préserver les trafics maritime, fluvial et événementiel.

Les pylônes du pont, protégés d’éventuels chocs par des îlots de béton en amont et en aval6, présentent une hauteur de 77 mètres. Ils permettront un tirant d’air similaire à celui du pont d’Aquitaine en position haute, soit 55 mètres au-dessus du lit de la Garonne, et à celui du pont de Pierre en position basse, soit 13 mètres7. La distance entre les pylônes est de 110 mètres.

La largeur du pont varie de 32 à 45 mètres suivant les différentes sections. La largeur utile est de27 mètres avec 15 mètres utilisés par le transport en commun en site propre, les piétons et les deux-roues et 12 mètres pour les véhicules légers et les poids lourds. Les pistes cyclables et piétonnes sont séparées de la circulation des véhicules à moteurs. Ainsi cette circulation douce s’effectue à l’extérieur des pylônes du pont.

Les lumières

Les lumières ne sont pas là pour éclairer mais pour souligner les lignes de l’ouvrage. La lumière des pylônes est due à la présence de milliers de lampes DEL. Les pylônes changent de couleur en fonction de la marée. Lorsque la marée est haute, on voit du bleu outremer et quand elle est basse, du vert Véronèse. Les DEL scintillent pendant les fêtes. Yann Kersalé, le responsable de cet éclairage, de celui de l’opéra de Lyon et du cours Victor-Hugo a été interpellé par l’UNESCO pour s’occuper de l’éclairage du pont Jacques-Chaban-Delmas.

II. Structure porteuse du pont

III. Chaîne d’énergie parties mobiles

Le stade Pierre Mauroy – www.info-stades.fr

Le stade Pierre Mauroy est situé à Villeneuve-d’Ascq, commune de la métropole européenne de Lille. Il a été inauguré en août 2012. Il était, pour la société Eiffage, un vrai enjeu technologique. Ce sont les architectes Valode & Pistre et Pierre Ferret qui se sont occupé du développement de ce stade.

Ce stade combine à la fois stade, avec une pelouse, et à la fois une Aréna et un palais des sports. Le stade est notamment prévu pour accueillir des matchs de l’Euro 2016. La pelouse mobile permettant au stade de se transformer en Aréna de cette manière est unique au monde. De plus, le stade possède également un toit amovible. La combinaison de ces deux éléments technologiques au sein d’un même stade est une première.

La durée des travaux a été de 2 ans et demi. Le coût est de 282 millions d’euros pour ce qui concerne le stade et ses parkings. L’investissement global était 324 millions d’euros.

Le stade a été tout d’abord créé afin que le LOSC, le club de football de Lille, possède un stade homologué afin de pouvoir participer à la Champions League. De plus, la création de ce stade a favorisé la sélection de la France comme pays organisateur de l’Euro 2016.

Vous pouvez découvrir le stade et son environnement grâce à la vidéo ci-dessous.

En quoi les solutions innovantes retenues par le constructeur pour obtenir les performances souhaitées correspondent-elle à un bon compromis en termes de développement durable ?

La principale innovation technologique, le toit

Le toit du stade est une innovation technologique complexe car il est mobile. Le toit repose principalement sur deux méga-poutres qui traversent le stade en long. Ces méga-poutres mesurent 205 mètres de long et 16 mètres de haut.

Mégapoutre du stade – www.info-stades.fr

Ces méga poutres en acier sont équipés de câbles de précontrainte qui vont créer des efforts internes afin de réduire la hauteur de ces poutres et d’en limiter la flèche quand le toit est fermé. Chacune des deux poutres pèsent 1800 tonnes. Les poutres supportent donc la toiture du stade, la charpente métallique et les quatre plateaux mobiles du toit ce qui fait un total de 7400 tonnes.

Pour hisser le tout à 31 mètres de haut, il a fallu attendre le bon moment car le vent ne devait pas dépasser 10m/s. Il s’agissait d’un travail de précision.

Section du stade Pierre Mauroy – www.detail-online.com

Le grand stade est muni d’une toiture gigantesque qui se situe de 31 m de haut et possède 4 éléments principaux : 2 structures hautes et 2 structures basses.

Comme nous pouvons voir dans cette section du stade, les quatre éléments se positionnent selon une configuration « gigogne » lorsque le toit est fermé. Ces deux structures hautes ont un poids chacune de 340 t, et deux autres structures basses se pèsent de 280 t chacune et chacun se mesure de 80 m sur 35. La toiture est composée de ce qu’on appelle « demi-toiture » ou « système de toit rétractable » qui est utilisé aujourd’hui non seulement au stade de Pierre Mauroy, mais aussi à l’University of Phoenix stadium. Il y a une autre couverture rajoutée de 30 cm pesant 600 t, qui a une fonction d’étanchéité, d’isolation thermique et de l’insonorisation, à la fois d’anti-réverbération à l’intérieure.

Il faut environ un quart d’heure pour que cette immense toiture puisse s’ouvrir, une structure de semi-portique assure l’ouverture et la fermeture du toit.

La structure de semi-portique appartient à ce qu’on appelle pont roulant, ce système possède au moins une poutre horizontale se déplaçant le long de chemins de roulement, les chemins de roulement peuvent être situés en hauteur ou au niveau du sol.

LP2I

Dans notre étude de cas, les demi-toitures sont posées sur les mégapoutres qui prennent en charge de soutenir une masse totale de 7400 tonnes et les rails jouent un rôle de guidage pour ces demi-toitures.

Nous pouvons simplifier cette toiture rétractable en un système de pont roulant de grande taille, qui est constitué d’un quadrilatère qui est muni de sommiers équipés de galets assurant le déplaçant sur l’une et l’autre des voies de roulement. Des dispositifs anti-déraillement ou anti-envol peuvent être ajoutés. Ces derniers peuvent prévenir un déraillement, notamment du toit en cas de séisme.

Schéma d’un pont roulant équipé de galets

En comparant avec Minute Maid Park, un stade de base-ball américain qui possède aussi un toit mobile, on peut donc calculer la résistance au roulement entre les galets et le rail du roulement afin de prouver la raison pour laquelle le stade de Pierre-Mauroy a choisi ce système du pont roulant en utilisant les galets :

Masse totale du toit (Le cas de Minute Maid Park) :3810 tonnes

Nombre de galets : 140

g(Accélération gravitationnelle) : 10Nm·s^-2.

C_RR (Coefficient de résistance au roulement) :0,003

C_f(Coefficient de frottement)=0,25

Fp(Poids)

F_R(Résistance de roulement)

On estime que le poids repart sur tous les galets par parts égales et que le matériel n’est pas déformé, nous avons alors :

Fp=m.g=3810.10³. 10=38,1 MN

F_R = F_p. C_RR =38100000.0,003=114,3 KN

F_{R(chaque roue)}=F_R/140=816N

Nous comparons avec la force de frottement sur le rail :

F_f=F_p.C_f=38100000.0,25=9,52MN

D’après le calcul théorique, nous voyons que l’emploi d’un système de pont roulant avec les galets et le rail réduit efficacement le frottement entre le guidage et le rail. Cela est donc une solution pertinente pour le stade de Pierre-Mauroy d’ouvrir / de fermer le toit.

EXPÉRIMENTATION

Pourquoi des méga poutres en treillis et pas de simples poutres en I ou de simples poutres planes ? Nous pourrons tester sur des poutres imprimés grâce à l’imprimante 3D l’influence des forces appliqués sur celles-ci. En essayant d’adapter les forces à appliquer en fonction des vraies forces exercées sur les poutres dans le stade, à notre échelle.

Poutre en I

Poutre en treillis

Cette observation nous permettrait de voir pourquoi dans le stade, la structure de la méga poutre est en treillis, et quelles seraient les principales déformations de ces différentes poutres. Nous aimerions également quantifier les différentes flèches, expérimentalement, et voir aussi les répartitions des forces au sein des structures.

Expérimentation 1 :

Nous avons un peu modifié notre expérimentation de départ :

–          Nous allons uniquement étudier les poutres avec un profil en I (IPN)

Sur celle-ci, nous allons voir l’influence du blocage de la poutre (encastrement ou non) pour un effort donné en un point, au centre de la poutre.

Nous allons procéder comme ceci :

Nous allons fixer la poutre entre deux supports, ce qui va la bloquer.

Ensuite nous allons accrocher au centre de la poutre une masse de 900g afin d’avoir une déformation due à cet effort. Au début, nous voulions accrocher une masse de 500g à la poutre, mais la déformation étant trop faible, nous avons augmenté la masse.

Nous voulons mesurer la différence de hauteur, à un certain point de la poutre, avant et après l’ajout de la masse afin d’obtenir la flèche. Nous allons répéter cette expérience en bloquant sur une plus ou moins grande distance les extrémités de la poutre.

Exemple :

Calcul théorique :

Source: Martial Santorell

Nous trouvons théoriquement une flèche de 17mm pour un effort due à une masse de 900g placé au centre d’une poutre bi-appuyé.

Résultats expérimentaux :

Source: LP2I

Lorsque la poutre est encastrée sur 0 cm, cela signifie qu’elle est juste appuyée sur les supports. Nous avons alors trouvé expérimentalement une flèche de 16,5mm alors que nous avions trouvé une flèche de 17mm par le calcul !

Conclusion :

Lors de l’expérience, nous avons remarqué que la flèche de la poutre était de moins en moins importante, plus on bloquait sur une grande distance les extrémités de cette dernière. Cependant, si l’ont fait ça sur une poutre d’un bâtiment, on réduit l’espace habitable, même si l’on diminue la déformation lors de la flexion. Dans le cas de notre stade, le choix a été fait de laisser en appui la poutre ce qui engendre une flèche plus importante, mais qui semble cependant négligeable. Le fait qu’elle ne soit pas encastrée permet de n’avoir aucune restriction au niveau de l’espace habitable qui serait ici l’espace comportant les gradins. De plus, cela permet d’éviter de rajouter une structure supplémentaire à monter pour encastrer la poutre.

Expérimentation 2 :

Nous avons voulu, dans cette expérimentation, voir l’importance des structures en treillis dans les structures porteuses.

Conclusion :

En ce qui concerne notre stade, le choix a été de faire une poutre ayant une structure en treillis. Celle-ci permet d’éviter les déformations au sein de la poutre et en plus, la structure en carré est gardée. Elle est représentée par les méga poteaux qui supportent la méga poutre, il y a un angle de 90° entre une méga poutre et un méga poteau. Les triangles à l’intérieur de la poutre permettent également de mieux répartir les efforts subits par cette dernière.

LA PELOUSE ESCAMOTABLE

Tout d’abord, nous allons vous présenter cette pelouse par le biais d’une vidéo ci-dessous. Elle présente l’installation du court de tennis dans l’enciente du stade lors de la finale de la Coupe Davis 2014.

L’escamotage s’effectue en trois partie :

Eiffage TP

• Le levage grâce à des vérins disposés sous la pelouse  1h15 (fig.1)

• La reprise de charge durant laquelle on positionne les 24 bras articulés sur les chariots qui vont actionner la translation  20min (fig.2)
• La translation : ce sont les chariots et les vérins « push-pull » qui constitueront le dispositif de translation du plateau par « pas de pèlerin ». Chaque chariot supporte 250t en cas de défaillances. La translation s’effectue grâce à des pas de 90cm. Les vérins sont alimentés par deux groupes hydrauliques. Le contrôle de l’avancé est effectué par un système à roues codeuses  1h30 (fig.3)

Pour que la pelouse sud qui peut rester couverte plusieurs jours ne s’abime pas de son confinement, des rampes d’éclairage horticole et des ventilateurs sont installés en dessous du plateau mobile.

Système à roues codeuses – stephane.genouel.free.fr

Système à roues codeuses: La roue codeuse est un capteur de position angulaire (et un capteur de vitesse angulaire lorsqu’il est associé à une mesure de temps). Le codeur rotatif est un capteur de position angulaire. Il mesure donc une grandeur d’angle. Pour connaitre la vitesse angulaire, il suffit de chronométrer le temps mis pour parcourir cet angle.