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
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