synoptique 2007 - Tout sur le Gyropode
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synoptique 2007 - Tout sur le Gyropode
D’ANGELO Pierre (Spé D) HOVASSE Louis (Spé D) LORAIN Benoît (Spé C) PANTEL Jean‐Christophe (Spé D) Professeur accompagnateur : M. Bayet Groupe n° 27 Avec les actuels problèmes liés à l’environnement, le développement de moyens de transport de moins en moins polluants est devenu une nécessité. C’est dans ce contexte qu’a été développé le Segway®; un véhicule individuel, propre, économique et facile d’utilisation. Dans le cadre des TIPE de cette année axés sur les notions de limite, stabilité, variabilité, nous avons décidé d’étudier le Segway® : véhicule autobalancé possédant deux roues ayant un axe commun et dont l’équilibre, à première vue compromis, est garanti par un système électronique dont l’un des composants principaux fonctionne sur le principe du gyroscope. De plus, l’étude mécanique du véhicule met en évidence le lien entre la variation de l’inclinaison et la vitesse. Nous avons construit notre étude autour des deux contraintes majeures de ce système : assurer un équilibre permanent grâce aux gyroscopes et permettre un déplacement multidirectionnel. Néanmoins, dans la pratique, le système rencontre certaines limites. 1 Année 2007/2008 I. Gyroscopes… Il existe différents types de gyroscopes dont les utilisations sont diverses : systèmes antiroulis dans les navires, stabilisation des satellites, horizons artificiels dans les avions… a) Gyroscope mécanique Le gyroscope mécanique est un appareil en rotation rapide autour d’un axe qui fournit une direction de référence. En effet, il possède les deux propriétés suivantes : l’inertie gyroscopique ou stabilité dans l’espace et la précession, mouvement de l’axe de rotation d’un solide, génératrices d’un cône. Ce type de gyroscope est cependant inutilisable dans le Segway® du fait de son encombrement et de sa masse, d’où l’utilisation d’un autre type de gyroscope. b) Gyroscope dans le Segway® C’est la technologie du gyroscope électronique qui a permis le développement du Segway®. Dans le Segway®, les gyroscopes utilisés sont des micro‐gyromètres électroniques vibrants ou MEMS (Miro Electro Mechanical Systems). Ils sont au nombre de cinq et fournissent des renseignements en ce qui concerne l’inclinaison suivant les différents axes de la machine. Ces composants utilisent du silicium vibrant à une fréquence propre affectée par l’effet de Coriolis lié au mouvement du manche. II. Etude mécanique du système Les gyroscopes du Segway® fournissent des données angulaires qui permettent la mise en œuvre de la stabilisation dynamique de l’engin. Nous 2 nous proposons donc d’établir les relations entre ces données et les différents mouvements permis par la machine. a) Étude de l’accélération en lien avec l’inclinaison. Le fonctionnement du Segway® est basé sur l’inclinaison du corps de l’utilisateur. Le système réagit en s’opposant aux déséquilibres causés par le conducteur, on observe donc une relation entre l’inclinaison et l’accélération du véhicule. La conduite du véhicule se fait par inclinaison du corps vers l’avant ou vers l’arrière, afin d’accélérer ou freiner le mouvement. En effet, le comportement du Segway® est comparable à celui du corps humain. Le rôle de l’oreille interne est assuré par les gyroscopes et celui des muscles par des moteurs. b) Étude en virage En virage, le conducteur se penche naturellement vers l’intérieur pour accompagner le mouvement du Segway®. Sur la version étudiée ici, les virages à droite et à gauche sont commandés par la rotation d’une poignée sur le guidon. Dans le cadre de cette étude, et à partir des théorèmes fondamentaux (statique, dynamique, loi de Coulomb) nous nous intéresserons aux liens entre rayon de courbure et vitesse. III. Les limites du système a) Mécanique Pour pouvoir manœuvrer l’appareil dans la circulation en toute sécurité, le conducteur est contraint de respecter les limites mécaniques de l’appareil. Ainsi, les rayons de virages minimums sont donnés par le cahier des charges de l’engin et sont liés à la vitesse. Nous allons donc étudier les rayons de virage correspondant à différentes vitesses, pour éviter le dérapage des roues et le basculement de l’appareil. D’autre part, certaines limites existent aussi lors de la conduite en ligne droite. En effet, il existe un angle limite d’inclinaison du corps de l’utilisateur pour lequel l’appareil est incapable de 3 compenser le déséquilibre. Nous allons donc, à partir de simulations, nous intéresser au comportement de la machine dans cette situation. b) Asservissement Schéma général de fonctionnement du Segway® Comme tout système électronique, un asservissement est mis en place afin de garantir le comportement de l’appareil. Cet asservissement doit répondre à un cahier des charges qui doit respecter au maximum les critères de maniabilité, vitesse et confort. Dans le cas du Segway®, ce n’est pas obligatoirement la stabilisation qui est la plus rapide qui est la mieux adaptée. Pour permettre un pilotage agréable et en douceur (pour éviter les pics d’accélération), la stabilisation s’étale sur plusieurs secondes. BIBLIOGRAPHIE • • • • • Le gyroscope et ses applications, Jean‐Claude RADIX, publié chez Presses Universitaires de France, 1969 Concours Centrale‐Supélec 2005, épreuve de SI : Comportement dynamique d’un véhicule autobalancé de type Segway® www.segway.fr www.toutsurlesegway.com www.comhic.com CONTACTS • • Gabriel Charles, étudiant à l’École Normale Supérieure de Lyon A. Merad, concessionnaire Segway® à Lyon 4