Concours CPGE 2025 - CCINP - Épreuve de Sciences Industrielles de l’Ingénieur - Filière MP - Robot à géométrie variable

Mise en situation

Certains robots mobiles terrestres actuels ont pour vocation d’évoluer dans un milieu inconnu et imprévisible ; ces contraintes nécessitent une automatisation afin de s’adapter aux circonstances d’utilisation et permettre à un seul opérateur de gérer plusieurs robots à la fois. Afin d’accroître les capacités de franchissement des UGVs (« Unmanned Ground Vehicles » - Véhicules terrestre sans pilote) non déformables, une alternative efficace consiste à développer des robots à géométrie variable. Munis plus souvent de chenilles que de roues, ces UGVs peuvent être distingués par l’acronyme anglais VGTVs pour « Variable Geometry Tracked Vehicles ». C’est de cette famille dont fait partie le robot B2P2 élaboré au laboratoire LARIS d’Angers.

Le franchissement d’un obstacle par le robot B2P2 s’effectue avec une capacité de franchissement plus importante que pour d’autres robots. Ce robot est constitué de trois parties principales : une partie arrière propulsive (châssis) dotée de deux essieux, une partie avant inclinable et une partie avant translatable dotée d’un essieu. Pour franchir un trottoir, il voit sa partie avant s’incliner vers le haut afin de mieux accoster l’obstacle pour ensuite incliner sa partie avant vers le bas dans la deuxième partie du franchissement.

Analyse système partielle

Le diagramme des exigences présente un extrait du cahier des charges du robot B2P2. Concernant la partie propulsive (châssis), le robot B2P2 dispose de deux moteurs à courant continu dédiés à la propulsion (1re chaîne fonctionnelle). Un moteur pilote l’inclinaison de la partie inclinable (2e chaîne fonctionnelle), tandis qu’un second moteur actionne une vis mère pour modifier la distance entre le second essieu et la partie translatable supportant le troisième essieu (3e chaîne fonctionnelle). L’utilisation conjointe de ces deux moteurs permet de garantir la tension de la chenille. Enfin, les compartiments blancs sur les flancs du véhicule renferment 4 (2 de chaque côté) batteries polymères 12 Volts 3 200 mAh qui assurent un peu plus d’une heure d’autonomie à ses 4 moteurs et à l’informatique de contrôle.

Problème posé

Afin de franchir un obstacle de grande taille en toute autonomie, le robot doit identifier l’obstacle et modifier sa géométrie en conséquence. Cette modification impose de s’intéresser aux conditions suivantes :

- contraintes géométriques garantissant le bon fonctionnement de la chenille ;

- contrôle de la stabilité du robot ;

- autonomisation du processus.

L’objectif de cette étude est de vérifier certaines performances du système afin de valider partiellement le respect des exigences liées à la modification de la géométrie du robot lors d’un franchissement d’obstacle en autonomie.

Partie I - Caractérisation des performances de franchissement du robot et établissement de la condition de fonctionnement à géométrie variable

Objectifs : vérifier que l’exigence relative au ratio de franchissement du robot peut être satisfaite et établir la condition de compatibilité géométrique entre l’élongation et l’inclinaison de la partie avant du robot B2P2.

I.1 - Caractérisation du franchissement par le ratio de franchissement

Objectif : définir le ratio de franchissement et vérifier celui du robot B2P2.

I.2 - Condition géométrique de fonctionnement

Objectif : établir la condition de compatibilité géométrique entre l’élongation et l’inclinaison de la partie avant du robot B2P2.

Partie II - Vérification des performances des systèmes de commande inclinaison et élongation pour faire varier la géométrie du robot

Objectifs : vérifier que l’exigence relative aux performances de la commande asservie d’inclinaison peut être satisfaite.

II.1 - Principe de la commande pour l’inclinaison

II.2 - Modélisation de l’axe d’inclinaison

Objectif : élaborer un modèle de connaissance de l’axe d’inclinaison et réaliser la synthèse de la commande.

II.3 - Analyse des performances de l’asservissement de l’axe d’inclinaison

II.4 - Amélioration des performances de l’asservissement de l’axe d’inclinaison

Partie III - Contrôle de la stabilité du robot B2P2

Certaines questions relèvent de l’Informatique Tronc Commun.

Elles sont traitées en langage Python.

Objectif : mettre en place le traitement des informations reçues de l’accéléromètre afin de les rendre utilisables par la carte de commande dans le but de vérifier la stabilité lors de la modification de la géométrie.

III.1 - Étalonnage du capteur ADXL335

Objectif : montrer que la mesure par un accéléromètre associé à un traitement de données va permettre de connaître le positionnement du châssis par rapport au sol.

III.2 - Traitement de données avec Python : création de listes de données

III.3 - Traitement de données avec Python : filtrage des données brutes

III.4 - Détermination des angles de tangage et de roulis dans le cas général

III.5 - Traitement de données avec Python : détermination des angles de tangage dans le cas test particulier de retournement du capteur

Partie IV - Édition d’un rapport d’étude (Informatique tronc commun)

Objectif : déterminer la méthode pour éditer un rapport d’étude à partir de données récupérées par les capteurs d’un robot B2P2 en situation d’évolution sur des sites explorés. Ces données peuvent ensuite être traitées sur un ordinateur par un logiciel qui permet d’établir des rapports d’étude via des requêtes SQL.

Le sujet et le corrigé de cette épreuve sont également disponibles sur le site de l’UPSTI (Union des Professeurs de Sciences et Techniques Industrielles)

https://www.upsti.fr/espace-etudiants/annales-de-concours