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Ces documents peuvent être utilisés et modifiés librement dans le cadre des activités d'enseignement scolaire, hors exploitation commerciale. Toute reproduction totale ou partielle à d’autres fins est soumise à une autorisation préalable du Directeur général de l’enseignement scolaire. La violation de ces dispositions est passible des sanctions édictées à l’article L.335-2 du Code la propriété intellectuelle. Juin 2012 © MEN/DGESCO-IGEN ►eduscol.education.fr éduSCOL Ressources pour le lycée général et technologique Ressources pour le cycle terminal général et technologique Informatique et Sciences du Numérique Initiation à la robotique Présentation / Initiation à la robotique 1. Contexte Ce scénario a pour objectif d’aborder les principes de la robotique, de mettre en œuvre des capteurs et des actionneurs, de monter un robot relativement simple et de le programmer pour lui faire réaliser une tâche complexe. La mise en place est proposée en trois phases plus ou moins distinctes : des éléments de cours plus théoriques sont fournis puis mis en pratique immédiatement au sein d’activités visant pour but la prise en main des matériels et logiciels ; enfin un mini-projet devra permettre de synthétiser les connaissances aboutissant finalement à une évaluation globale du scénario. Avertissement : pour plus de clarté, ce document s’appuie sur la boîte Lego MindStorms NXT 2.0 de base. Des approches similaires peuvent être parfaitement être conduites avec d’autres robots (Thymio, NAO, etc.). Les détails de mise en œuvre figurent dans l’annexe. 2. Thème abordé 2.1. Répondre à une problématique Nomad l’explorateur-robot Nomad (Neurally Organized Mobile Adaptive Device) est un robot autonome, développé et construit par l’université de Carnegie Mellon, destiné à l’exploration des zones inhospitalières (déserts, calottes polaires, planètes). Après une campagne dans le désert d’Atacama il fut décidé d’essayer Nomad en Antarctique, afin d’y rechercher des météorites en faisant appel à la recherche robotisée et à la classification automatique des échantillons de roches. En janvier 2000 le robot Nomad a donc exploré la région dite de la Moraine de l’Éléphant (où de nombreuses météorites avaient déjà été trouvées), découvrant et classifiant une quinzaine de roches dont cinq météorites. La mission fut une démonstration idéale de l’efficacité de la robotique pour l’exploration de Mars et la Lune. En outre, le succès de la recherche robotisée en Antarctique ouvre la voie à de futures missions telles que la géologie autonome, la recherche de la vie ou l’exploration polaire.1 2.2. Frontières de l’étude et prolongements possibles Il s’agit ici d’étudier, de créer et programmer un robot capable de rallier un point d’arrivée à partir d’une position donnée de départ. Il suivra un chemin prédéfini par des points jalons placés sur un terrain quadrillé connu. Des obstacles fixes (connus et immuables) ou aléatoires seront placés sur le parcours, le robot devant alors les éviter. Bien que ce scénario s’appuie sur un système robotisé précis, il est facilement transposable à tout autre type de robot. Les questions sociétales et juridiques ne manquent pas de points de vue contraires qu’il convient de présenter en les mettant en opposition. Le chapitre « Les enjeux éthiques et de responsabilité » publié par Wikipédia peuvent nous donner des pistes de réflexion2. Et peut être complété : – robotique et sécurité (des biens et des personnes) ; – robotique et emplois ; – robotique au sein de la famille, etc. 1 Traduction librement adaptée des documents proposés sur le site de l’expédition : http://www.frc.ri.cmu.edu/projects/meteorobot2000 2 Voir ici : http://fr.wikipedia.org/wiki/Robotique#Les_enjeux_.C3.A9thiques_et_de_responsabilit.C3.A9 La page correspondante en allemand est également assez bien faite : http://de.wikipedia.org/wiki/Robotik#Robotik_und_Sicherheit © Ministère de l’éducation nationale (DGESCO – IGEN) ISN – Terminale série scientifique Initiation à la robotique Page 1 © Dimitrios Apostolopoulos 3. Objectifs pédagogiques 3.1. Disciplines impliquées Des enseignants de matières scientifiques et techniques présentent les aspects matériels, énergétiques, électriques et électroniques en relation avec le cours de Physique, ainsi que la géométrie et les algorithmes pour les Mathé- matiques. D’autres éléments de Mathématiques vont intervenir à propos du déplacement du robot ainsi que des fonctions de commande (voir Annexe). Dans la mesure où certains documents (notamment les vidéos proposées) sont en anglais, le professeur de langues pourrait être mis à contribution. 3.2. Prérequis Des connaissances d’algorithmique sont nécessaires pour pouvoir mener à bien le pilotage des robots. Le langage de programmation est spécifique de chaque robot et adapté à ses automatismes ; une petite initiation au langage retenu est nécessaire mais peut se cantonner à quelques instructions et structures simples.. Le chapitre « Temps, cinématique et dynamique newtoniennes » du programme de Physique fournit aux élèves les connaissances nécessaires liées au mouvement du robot. La rotation du robot d’un angle déterminé fait inter- venir des notions simples de mathématiques de niveau Collège : calcul de la longueur d’un arc de cercle connais- sant son rayon et l’angle à parcourir, conversion d’une distance linéaire en degrés et/ou nombre de tours de roue. Enfin, la mise en œuvre de principes de logique floue s’appuie sur l’étude des fonctions affines, réalisée en Ma- thématiques en classe de Seconde. 3.3. Éléments du programme Algorithmique Le robot ne peut fonctionner qu’avec un algorithme finement pensé et écrit. On se limite aux structures de bases reconnues par le langage de programmation : REPETER...JUSQU’À, SI…SINON. Langage et programmation – Programmation visuelle (par blocs) ou impérative ; – Validation par observation des réactions du robot ; – Mise en évidence des risques encourus lors d’une mauvaise programmation. Architecture matérielle Les éléments de l’architecture d’un robot, les capteurs, les actionneurs et le « processeur » central, doivent être passés en revue ; cette procédure permet de comprendre leur fonctionnement et ainsi pouvoir les assembler, et utiliser correctement puis réaliser le programme pilote. 3.4. Compétences et capacités Décrire et expliquer une situation, un système ou un programme : – Comprendre un algorithme et expliquer ce qu’il fait ; – S’interroger sur l’efficaficité d’un algorithme ;;; – Identifier les différents composants d’un mini robot et comprendre leurs rôles respectifs ; – Décrire un système à événements simple à l’aide d’une machine à états finis. Concevoir et réaliser une solution informatique en réponse à un problème : – Concevoir et programmer un algorithme ; – Mettre un programme au point en le testant, en l’instrumentant ; – Programmer (dans un langage de haut niveau) un mini robot pour lui faire exécuter une tâche com- plexe. Communiquer à l’écrit et à l’oral : – Présenter le cahier des charges, les phases de mise en œuvre ; – Argumenter les choix relatifs à une solution. © Ministère de l’éducation nationale (DGESCO – IGEN) ISN – Terminale série scientifique Initiation à la robotique Page 2 4. Modalités de mise en œuvre 4.1. Durée prévue Durée estimée : environ 8 heures : – la présentation de la robotique ne devrait pas dépasser une séance de 2h ; – la prise en main de la chaîne de développement ainsi que les démarches pratiques associées sont sur une séance de 2h ; – la réalisation (optionnelle) du projet devra (éventuellement) intégrer la création d’un robot, la recherche documentaire, le codage et la mise au point sur deux séances de 2h. À noter : ni la rédaction du rapport ni l’évaluation des acquisitions ne sont intégrées dans cette planification. 4.2. Type de l’animation La partie théorique (conception de l’algorithme, étude de la géométrie du mouvement) peut dérouler en classe entière. La recherche documentaire est réalisée par les élèves en groupe de deux ou trois. Selon le matériel disponible dans la section ou l’établissement, les activités pratiques proposées ici peuvent être menées de front par tous les élèves à la fois ou par petits groupes en alternance avec d’autres thèmes d’étude, utilisant d’autres matériels. Ce scénario peut être amorcé sous forme de mini-projet et poursuivi dans le cadre du projet final qui pourrait consister en la réalisation d’un mini-robot autonome et capable de résoudre un problème simple. 4.3. Éléments de cours Après la projection de séquences de films ou la lecture de courts textes, les élèves réfléchissent sur ce qu’est un robot et quels sont ses divers rôles. La synthèse de la discussion aboutit aux définitions de ce que sont une ma- chine automatisée, un robot, la robotique, et conduit à faire la liste de différents organes qui composent le robot. Selon les utilisations d’un robot, on peut mettre en évidence des différences « morphologiques » (avec des roues ou non, avec des bras, etc.) et des caractéristiques communes (capteurs, actionneurs). On introduit (ou revoit) ensuite les éléments matériels constituant un robot : – l’unité centrale, en relation avec Architecture des ordinateurs/Éléments d’architecture ; – les différents types de capteurs actifs, passifs et numériques ; – les actionneurs. On peut envisager ici une étude plus poussée des schémas électroniques internes (Physique/STI), des liaisons entre ces organes (câblage, protocole, niveaux électriques…) et/ou des principes de fonctionnement (moteur pas- à-pas, capteurs sonores, lumineux…). On va aussi mettre en évidence l’évolution de la robotique depuis la machine de Turing, en passant par un simple algorithme pour arriver à l’I.A (Intelligence artificielle). On peut énoncer la nécessité de règles d’utilisation (cf. les 3 lois d’Asimov par exemple) afin de garantir uploads/Ingenierie_Lourd/ lycee-gt.pdf