Dossier Technique Segway

Lycée La Fayette
Clermont Ferrand
Dossier Technique Segway i2
1
Présentation.......................................................................................................................................................... 2
1.1
Présentation générale .................................................................................................................................. 2
1.2
Avantages pour l'environnement des véhicules électriques personnels ................................................. 2
1.3
Principe de fonctionnement ........................................................................................................................ 2
1.4 Sécurité…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….3
3
Analyse fonctionnelle ........................................................................................................................................... 5
3.1
Diagramme des inter acteurs ...................................................................................................................... 5
3.2
Cahier des charges fonctionnel ................................................................................................................... 6
3.3
SADT .............................................................................................................................................................. 7
3.3.1
Niveau A-0 ............................................................................................................................................ 7
3.3.2
niveau A0 .............................................................................................................................................. 7
3.4
Structure fonctionnelle du Segway ............................................................................................................. 8
4
Les différents organes du segway ....................................................................................................................... 8
5
Le segway i2 en vidéo 3D ..................................................................................................................................... 9
Dossier
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1 Présentation
1.1 Présentation générale
Le transporteur personnel Segway ® est un véhicule dont l'équilibre est assuré par un système
automatique. De nombreux programmes ont acquis un premier Segway, car ce véhicule était perçu
comme une alternative écologique de transport personnel qui convient à certains environnements. Le
Segway i2 poursuit dans cette voie qui consiste à chercher des solutions propres et uniques à la
congestion urbaine et aux modes de transport polluants. Il fonctionne entièrement à l'électricité et son
exploitation ne produit aucun gaz à effet de serre.
Le Segway i2 à deux roues exploite un réseau intelligent de capteurs, de systèmes, de commandes
de propulsion et de pièces mécaniques. Cinq capteurs gyroscopiques et deux accéléromètres
détectent les changements de surface et de position du corps du conducteur 100 fois par seconde.
Le conducteur du Segway i2 n'a qu'à se pencher vers l'avant pour accélérer et vers l'arrière pour
ralentir ou reculer.
On dirige le véhicule en pivotant le guidon vers la gauche ou vers la droite.
On peut charger le véhicule en le branchant à n'importe quelle prise de courant domestique de 110
ou 220 volts standard. Grâce à son autonomie maximale de 38 km, le Segway i2 pourrait convenir
aux personnes qui se déplacent quotidiennement en ville ou en banlieue. De plus, le Segway i2 est
souvent utilisé par les facteurs, les policiers, les agents de sécurité et les soldats.
Le Segway i2 présente ainsi de réels avantages environnementaux, économiques et sociaux et
participe ainsi au développement durable.
1.2 Avantages pour l'environnement des véhicules électriques personnels
Offrent un moyen alternatif de transport personnel qui diminue la congestion routière, les
émissions de gaz à effet de serre et la consommation de carburant;
Fonctionnent entièrement à l'électricité, ce qui résulte en l'absence d'émissions polluantes.
1.3 Principe de fonctionnement
Le Segway pourrait être qualifié de véhicule bio-inspiré, puisqu’il gère sa verticalité de la même
manière qu’un humain gère sa propre posture.
En effet, pour déceler toute perte d’équilibre, donc de verticalité, notre cerveau est informé par
l’inclinaison du niveau du liquide contenu dans les canaux semi-circulaires de notre oreille interne.
Le châssis du Segway étant en équilibre autour de l’axe de ses roues, et ces dernières devant
pouvoir tourner indépendamment de lui, il faut impérativement disposer d’une plate-forme inertielle
pour connaître son inclinaison par rapport à la verticale.
Cette plate-forme inertielle est composée de 3 gyroscopes à semi-conducteurs, de type verre à vin
résonnant, disposés triangulairement, fonctionnant selon l’effet Coriolis. Un anneau de silicium
monocristallin de 6 mm de diamètre est maintenu en résonance à 15 kHz par excitation
électromagnétique, et toute variation angulaire de son cadre tendra à décaler d’autant les axes des
noeuds de vibration. L’électronique interne au senseur, travaillant en boucle fermée, s’efforcera de
maintenir l’axe de vibration initial, et, la tension nécessaire pour contrecarrer cette force de Coriolis
indiquera la vitesse angulaire. Le signal de sortie est une tension proportionnelle à la vitesse
angulaire.
Initialement, lors de la mise sous tension du véhicule, l’angle relatif theta à la verticale de la plateforme est calibré par une paire d’inclinomètres à niveau liquide. C’est aussi par leur indication que le
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contrôleur peut refuser d’activer l’équilibrage électronique si l’inclinaison de départ s’avérait trop
importante pour être contrôlable.
Afin de tenir compte de l’expérience du conducteur et de l’environnement, le constructeur a prévu 3
clés de contact différentes, chacune activant une programmation spécifique, imprimant au système
un tempérament approprié (équation caractéristique du système) :
clé Apprentissage noire : vitesse maximale : 10 km/h, virages très lents ;
clé Piéton jaune : vitesse maximale : 13 km/h, virages rapides ;
clé Espaces ouverts rouge : vitesse maximale : 20 km/h, réactivité maximale.
Plate-forme inertielle du Segway
Pour équilibrer le système, le régulateur s’appuie sur la mesure des 4 états suivants :
1. la vitesse angulaire d(theta)/dt, fournie par le gyroscope ;
2. l’angle d’inclinaison (theta) par rapport à la verticale, intégration de la vitesse angulaire ;
3. la position horizontale x, déduite de la différence entre la position donnée par l’encodeur
incrémental de chaque axe moteur-roue avec l’angle d’inclinaison mesuré par le gyroscope ;
4. la vitesse horizontale dx/dt, dérivée de la position.
1.4 Sécurité
Afin de garantir la sécurité du conducteur, le système de contrôle est entièrement dédoublé, assurant
une totale redondance de toute la chaîne capteur-régulateur-moteur :
triples gyroscopes
doubles inclinomètres
doubles cartes contrôleurs
doubles bobinages moteurs, et rotors à aimants permanents
doubles batteries.
La sécurité du conducteur étant primordiale, il faut impérativement tenir compte de la vitesse au-delà
de laquelle nous ne disposerions plus de suffisamment de réserve de puissance pour contrecarrer
une chute potentielle. Le Segway est doté d’un limiteur de vitesse original, puisqu’il est impossible de
simplement plafonner le régime des moteurs : c’est un moteur qui redresse le manche du guidon,
forçant ainsi le conducteur à se redresser sur la plate-forme, et par réaction, permet au Segway de
ralentir. Un second avertisseur vibrant, toujours sur le manche du guidon, entre en action lorsque
l’état de charge des batteries manifeste une trop faible capacité, ou lorsque durant le démarrage, la
plate-forme n’est pas suffisamment horizontale.
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2 Fiche technique
Poids et dimensions
Poids
47,7 kg
Longueur
0,65 m
Largeur
0,63 m
Hauteur du guidon
(par rapport au sol)
1,17-1,30 m
Batterie
®
Type
Deux batteries Saphion au lithium-ion
Poids
10,3 kg
Capacité
5,8 Ah / 73,6 V c.a.
Dimensions
35,7 × 19 × 8,2 cm
Rendement énergétique
Carburant
Électricité
Durée de charge
Environ 8 heures pour une charge complète à partir d'une prise de courant de 110 V
Autonomie maximale
38 km
Performances
Vitesse maximale
20 km/h
Pente franchissable sur sol adhérent :
30 degrés. (60%)
Elévation du plancher :
20 cm.
Émissions de CO2
2 g/km
Châssis
Carrosserie
Châssis anodisé
Charge utile maximale
(conducteur + marchandises)
117 kg
Nombre de places
1
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3 Analyse fonctionnelle
3.1 Diagramme des inter acteurs
Le diagramme des interacteurs du Segway® ci dessous, précise les fonctions assurées par le système.
Énoncé des Fonctions de Service :
• FS1 : permettre au conducteur de se déplacer aisément sur la route.
• FS2 : donner au conducteur une sensation de stabilité.
• FS3 : rester insensible aux perturbations provenant de la route.
• FS4 : rester manœuvrable dans la circulation.
• FS5 : être peu encombrant.
• FS6 : contribuer au respect de l’environnement.
La caractérisation de chacune des fonctions de service sera donnée au début de
chaque partie.
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3.2 Cahier des charges fonctionnel
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3.3 SADT
3.3.1 Niveau A-0
3.3.2 niveau A0
Ajuster la quantité
d'énergie électrique
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3.4 Structure fonctionnelle du Segway
On propose de s’appuyer sur une description structurelle du véhicule, composé
(voir ci dessus) :
• d’un chariot : (châssis + 2 roues uniquement), transportant le conducteur,
• de deux moto-réducteurs entraînant les roues (un par roue),
• d’un ensemble constitué d’un gyromètre et d’un pendule qui délivre une information sur l’angle
d’inclinaison du châssis par rapport à la verticale et sur sa dérivée,
• d’un calculateur qui élabore, à partir des informations issues des capteurs, les consignes de commande
des groupes moto-réducteurs.
• de batteries qui fournissent l’énergie aux divers composants.
4 Les différents organes du segway
Sur cette vue du Segway, nous distinguons successivement, partant du centre vers la droite : la
plate-forme inertielle, le moteur et son capteur incrémental intégré, et le
réducteur. Transversalement disposées, respectivement à l’avant et
l’arrière, nous observons les cartes contrôleur. Les deux blocs de
batteries Lithium ion Saphion sont logées sous les cartes contrôleur,
c’est à dire sous le niveau des axes moteurs, ces derniers étant euxmêmes, par l’entremise du réducteur, bien en dessous de l’axe des
roues, donc de l’axe de pivotement du véhicule.
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Remarques:
Pour des raisons évidentes, le Segway ne comporte pas de freins : le ralentissement est obtenu par
inclinaison du pilote vers l’arrière. Durant le ralentissement, typiquement lors d’une descente,
l’énergie est récupérée pour recharger les batteries.
Nom
Photo
Gyromètre
Capteur incrémental
2 Moteurs sans balais (1,5 kW chacun)
2 réducteurs à engrenages
2 Batteries Lithium-ion Saphion®
2 roues 19' avec chambre à air
5 Le segway i2 en vidéo 3D
http://www.segway.com/images/3d/i2_3dtour.html
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