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13SISCMLR3 BACCALAURÉAT GÉNÉRAL SÉRIE SCIENTIFIQUE Épreuve de sciences de l’ing

13SISCMLR3 BACCALAURÉAT GÉNÉRAL SÉRIE SCIENTIFIQUE Épreuve de sciences de l’ingénieur Session 2013 Durée de l’épreuve : 4 heures Coefficient 4,5 pour les candidats ayant choisi un enseignement de spécialité autre que sciences de l’ingénieur. Coefficient 6 pour les candidats ayant choisi l’enseignement de sciences de l’ingénieur comme enseignement de spécialité Aucun document autorisé Calculatrice autorisée, conformément à la circulaire n° 99-186 du 16 novembre 1999 Page 1 sur 34 13SISCMLR3 Robot domestique laveur de sol SCOOBA 385 Constitution du sujet  texte.......................................................................................pages 3 à 16 1. Réponse au besoin 2. Principe de détection d’obstacle et de vide 3. Modélisation du comportement dynamique du réducteur de motorisation 4. Principe de déplacement et choix de la motorisation 5. Contrôle angulaire des roues motrices 6. Synthèse  documents techniques.........................................................pages 17 à 21  documents réponses............................................................pages 22 à 26 Le sujet comporte 22 questions. Les documents réponses DR1 à DR5 (pages 22 à 26) seront à rendre agrafés avec les copies. Page 2 sur 34 13SISCMLR3 Robot domestique laveur de sol SCOOBA 385 Assurer ses tâches ménagères est une activité suffisamment longue au quotidien pour que certains d’entre nous aient envie d’en réduire la charge. C’est l’offre proposée par les constructeurs de robots domestiques, qui répondent à la fois à cette recherche de temps libre, et à un engouement pour les produits domotiques. L’entreprise IRobot à l’origine du système étudié ici conçoit également des robots terrestres et marins permettant de réaliser des missions délicates pour le compte de militaires, de scientifiques ou de secouristes. Elle travaillait initialement à l'élaboration d'une machine de nettoyage de grande taille pour le compte d’une multinationale présente dans la fabrication de produits d’entretien. Élaborant également des jouets avec des pièces à bas coût, elle s’est intéressée à l'élaboration de robots aspirateurs à usage domestique dans un premier temps, puis à une évolution en robot de nettoyage. En exploitant ses connaissances en matière de nettoyage et de fabrication à bas coût, après avoir mis au point le premier robot aspirateur, elle a commercialisé le premier robot de nettoyage de sol domestique au monde à un prix abordable. Elle dispose désormais d’une gamme de robots aspirateurs et nettoyeurs de sols commercialisés à des prix variant de 300 à 800 €. Présentation du système Le robot domestique nettoyeur de sol doit remplir les mêmes fonctions de service que sa version industrielle. L’enjeu, pour le concepteur, est de rendre la machine autonome et d’adapter le produit aux éléments suivants de son environnement :  la surface à nettoyer, limitée à 80 m2 avant recharge ;  la nature des obstacles (tapis, meubles, escaliers, etc.). Page 3 sur 34 Figure 1 : évolution de la solution industrielle en robot aspirateur puis nettoyeur SCOOBA 385 SCOOBA 385 surface à nettoyer surface à nettoyer source d'énergie source d'énergie obstacles obstacles utilisateur utilisateur saletés, tâches saletés, tâches solution nettoyante solution nettoyante 13SISCMLR3 FS1 : nettoyer le sol de façon autonome. FS2 : éliminer les saletés et les tâches. FS3 : laver avec une solution nettoyante. FS4 : être autonome en énergie. FS5 : se déplacer en tenant compte des obstacles. L’usage de robots aspirateurs se répand assez rapidement du fait du besoin sociétal exprimé ci-dessus et des baisses de prix constatées. Il a donc été intéressant pour l’entreprise IRobot, désirant commercialiser une gamme complète de produits, de s’appuyer sur l’existant pour l’optimiser, et ainsi limiter les coûts de recherche et de développement. Cette étude propose donc d’étudier et de valider les solutions technologiques choisies par la société IRobot pour transformer un robot aspirateur en un robot nettoyeur. 1. Réponse au besoin Objectif de cette partie : analyser le besoin à l’origine de la conception du robot et comprendre le fonctionnement général de la solution retenue. L’objectif de cette première partie est d’évaluer le gain en temps libre pour le propriétaire d’un robot Scooba 385. La surface à prendre en considération correspondra aux performances associées à la fonction FS4 du robot. Elle représente la surface du sol avec revêtement lisse pour une habitation de taille moyenne. Fonction Critère Niveau FS4 : être autonome en énergie Surface nettoyée avant recharge Temps de charge après un cycle de nettoyage complet ≤ 80 m2 ≤ 3 heures Page 4 sur 34 Cette icône indique les éléments et fonctions devant évoluer pour une application domestique Figure 2 : diagramme des interacteurs du robot Scooba 385 13SISCMLR3 Page 5 sur 34 13SISCMLR3 Par ailleurs, les entreprises de nettoyage à domicile utilisent des tableaux indiquant les cadences selon la tâche à accomplir. Technique : balayage humide Locaux faiblement encombrés Locaux normalement encombrés Locaux fortement encombrés 270 m2/h 250 m2/h 230 m2/h Les données ci-dessus permettent d’évaluer le gain de temps maximal qu’un particulier puisse espérer, en basant sur l’hypothèse d’un local fortement encombré, qui correspond au type de surface rencontré chez un particulier. Q1. Déterminer, en fonction de ces éléments, la durée théorique hebdomadaire nécessaire au nettoyage d’une surface de 80 m2, si l’on considère qu’il faut nettoyer le sol au moins deux fois par semaine. Fonctionnement et maintenance du robot En ce qui concerne le processus de nettoyage, il reste le même que celui du système industriel. Le robot doit successivement préparer le sol, nettoyer, frotter et sécher tout en se déplaçant. Il s’agit maintenant de vérifier que les opérations de maintenance à effectuer après chaque cycle de nettoyage ne soient pas trop pénalisantes. Le DT1 présente une analyse fonctionnelle descendante de la fonction de service FS1 « nettoyer le sol de façon autonome ». Page 6 sur 34 Figure 3 : surfaces nettoyées en une heure Étape 1 aspiration des particules de poussières et autres petits débris Étape 4 récupération de l’eau sale pour permettre un séchage plus rapide du sol SENS DU DÉPLACEMENT Étape 2 diffusion d’une solution détergente en spray Étape 3 brossage du sol Figure 4 : processus de nettoyage 13SISCMLR3 Q2. Identifier, après lecture du DT1, les solutions techniques associées aux quatre étapes du processus de nettoyage décrites à la figure 4 (les fonctions de déplacement et de gestion du processus ne sont pas à prendre en compte). Les résultats pourront être présentés de la façon suivante : Certains éléments du robot vont donc être en contact avec les particules sales et devront être nettoyés après chaque cycle. Les opérations de maintenance à effectuer après chaque cycle ainsi que la durée nécessaire sont décrites dans le DT2. Q3. Relever sur le DT2, le temps nécessaire à l’entretien du robot Scooba après chaque utilisation, et en déduire le gain de temps domestique que l’utilisateur peut espérer par semaine. Conclure sur la pertinence d’acquérir un tel système pour un particulier, en considérant que les données indiquées à la figure 3 sont calculées pour un professionnel du nettoyage. 2. Principe de détection d’obstacle et de vide Objectif de cette partie : analyser les solutions retenues pour les détections de vide et d’obstacles du robot Scooba, puis déterminer sa vitesse de déplacement optimale. 2.1. Détection d’obstacles Afin de répondre à la fonction de service FS5 du robot Scooba, deux capteurs de contact ont été placés au niveau du pare-chocs avant du robot. Ces capteurs informent la carte électronique que le robot a rencontré un obstacle (meuble, mur, etc.) et précisent la localisation du choc (droite, gauche ou de face). Q4. Compléter la partie A du document réponse DR1 « chaînes d’énergie et d’information de la motorisation ». Le microcontrôleur intégré au robot Scooba scrute régulièrement l’état des deux capteurs de contact. Pour ce faire, il utilise une routine1 : Début Transmettre le code InfoCapteur // code hexa 0x8E Transmettre le code d’identification des capteurs // code hexa 0x07 Lire l’octet ID // lire octet ID7 Stoker l’octet ID dans une variable Fin routine L’état des capteurs de contact du pare-chocs (0 = pas de choc, 1 = choc) et des ILS 2 de roues (0 = roue au sol, 1 = roue soulevée) est renseigné sur quatre bits. Tableau descriptif de l’octet ID7 : Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 Valeur Réservés ILS roue gauche ? ILS roue droite ? Contact gauche ? Contact droit ? 1 Partie du code d'un programme informatique destiné à être utilisée plusieurs fois. 2 Interrupteur à Lame Souple (ILS). Page 7 sur 34 13SISCMLR3 Page 8 sur 34 13SISCMLR3 Un test réalisé avec un hyperterminal a donné les résultats suivants : 0x : notation hexadécimale Exemple :   (16) (10) 0 4 4 164 xA A Figure 5 : capture d’écran de l’hyperterminal Q5. À l’aide des informations fournies à la figure 5, déterminer, pour chacune des lignes du tableau de droite, l’état des capteurs ILS des roues ainsi que l’état des capteurs de contact du pare-chocs, et compléter le « tableau de valeur de ID7 » sur le document réponse DR2. Q6. Proposer deux masques binaires permettant, à partir du contenu de la variable ID7, d’une part, d’isoler l’information « état des ILS de roues » dans une variable nommée « Wheel » et, d’autre part, l’information « état des contacts uploads/Industriel/ 1793-sujet-si-metropole-septembre-2013.pdf