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Technologie • Modélisation et simulation
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France métropolitaine • Septembre 2018
Pilote automatique
Intérêt du sujet • Ce sujet analyse l'efficacité énergétique d'un pilote automatique de voilier et étudie une évolution possible.
Lors d'une course à la voile, les vents et les courants marins ont un impact sur le comportement du bateau et sur sa trajectoire.
Pendant la course, le navigateur ne peut pas rester en permanence à la barre de son voilier, car il doit se déplacer pour effectuer des réglages de voilure en raison des variations des conditions météorologiques et climatiques. Il est donc nécessaire d'avoir un système automatisé qui dirige le bateau, sans l'action du skippeur sur la barre du gouvernail. Ce système est nommé « pilote automatique de bateau pour barre franche ».
L'étude porte sur l'efficacité du pilote automatique à garantir un cap malgré les perturbations météorologiques (vents, pluie, orages…) et climatiques (courants marins…) que subit le voilier.
document 1 Description du fonctionnement d'un pilote automatique
Le skippeur indique le cap (direction) à suivre sur la console du pilote automatique. Le pilote automatique compare alors le cap souhaité avec la direction réelle du voilier.
Si la direction du voilier est différente du cap saisi sur la console, le vérin du pilote automatique tire ou pousse la barre du voilier. Ainsi le gouvernail oblige le bateau à changer de direction.
document 2Caractéristiques techniques
▶ 1. Un propriétaire de voilier souhaite équiper son voilier d'un pilote automatique pour participer à une course au large. Pour information, le voilier pèse 6,5 tonnes.
À l'aide de la formule P = U × I et des données du document 2, calculer la puissance électrique consommée par chaque vérin. Choisir le type de vérin ayant le moins d'impact sur la consommation de l'énergie électrique stockée sur le voilier et le meilleur temps de réponse. Argumenter la réponse.
document 3Exemple de cycle de fonctionnement du pilote automatique
Le cycle décrit ci-après est un exemple de programme :
si la différence est comprise entre 0° et 10° alors la tige du vérin ne bouge pas ;
si la différence est comprise entre 10° et 25° alors la tige du vérin sort de 100 mm ;
si la différence est comprise entre 25° et 45° alors la tige du vérin sort de 200 mm ;
si la différence est supérieure à 45° alors la tige du vérin sort de 300 mm ;
si la différence est comprise entre 0° et –10° alors la tige du vérin ne bouge pas ;
si la différence est comprise entre –10° et –25° alors la tige du vérin rentre de 100 mm ;
si la différence est comprise entre –25° et –45° alors la tige du vérin rentre de 200 mm ;
si la différence est supérieure à –45° alors la tige du vérin rentre de 300 mm.
▶ 2. Les vents et les courants marins varient en direction et en force. Le voilier dérive donc de la trajectoire programmée et s'écarte de son cap.
La console de pilotage intègre un programme qui commande la sortie ou la rentrée de la tige du vérin en fonction de la dérive du bateau. La dérive est la différence entre le cap à suivre et la direction que prend le voilier. Elle se mesure en degrés d'angle.
À l'aide de la description d'un exemple de cycle de fonctionnement du pilote automatique dans le document 3, compléter la modélisation du programme sur le document ci-dessous.
Modélisation du programme de fonctionnement simplifié du pilote automatique
document 4Tracé simplifié de la trajectoire du bateau
document 5Diagramme des blocs d'un pilote automatique perfectionné
▶ 3. Lorsque le voilier dérive de la trajectoire programmée pendant un temps long, il s'écarte trop de la position souhaitée ; ce qui provoque un retard dans la course.
Sur le document 4, tracer la trajectoire du bateau qui dérive sur une distance de 13 miles (1 mile = 1 852 mètres) avec une dérive vers l'est de 15°. Marquer par une croix la position atteinte par le bateau.
Mesurer l'écart entre la destination souhaitée et la position atteinte par le voilier et donner sa valeur en miles.
▶ 4. Afin de minimiser cet écart, les constructeurs ont conçu des pilotes automatiques plus perfectionnés, comme détaillés par le document 5.
À l'aide du document 5, nommer les capteurs mis en œuvre dans le pilote perfectionné et qui permettent au calculateur de prendre en compte les phénomènes météorologiques. Argumenter la réponse.
Les clés du sujet
Question 1
Comprendre le document 2
Le document 2 est un tableau de caractéristiques techniques des vérins.
Répondre à la question
Calcule les puissances consommées et identifie le vérin consommant le moins.
Veille à bien appliquer la formule qui est donnée – P = U ⋅ I – après avoir identifié les valeurs correspondantes dans le tableau.
Question 2
Comprendre le document 3
Il s'agit de l'algorithme du fonctionnement du pilote automatique.
Répondre à la question
Repère les éléments du texte du document 3 déjà présents dans le programme. Par exemple, l'indication « si la différence est comprise entre 10° et 25° alors la tige du vérin sort de 100 mm » correspond à cette partie du programme :
Procède de la même façon pour toutes les valeurs renseignées dans le programme.
Question 3
Comprendre le document 4
Trace la route que suivra le bateau en utilisant ta règle et le rapporteur du document.
Répondre à la question
Utilise l'échelle indiquée dans le document 4, afin de déterminer la longueur de ta ligne, puis mesure l'écart entre ton point d'arrivée et la destination souhaitée.
Question 4
Comprendre le document 5
Identifie les capteurs qui prennent en compte un phénomène météorologique.
Répondre à la question
Pour ton argumentation, tu peux expliquer ce qu'est un phénomène météorologique.
▶ 1. On calcule la puissance consommée par les deux vérins.
Pour le vérin électrique :
P = 12 × 0,08 = 0,96 W
Pour le vérin hydraulique :
P = 12 × 0,04 = 0,48 W
Le vérin hydraulique consomme deux fois moins d'énergie électrique.
De plus, le déplacement du vérin hydraulique est plus rapide que celui du vérin électrique ; il a un meilleur temps de réponse.
Donc, le vérin hydraulique a moins d'impact sur la consommation énergétique car il va plus vite tout en consommant moins d'énergie que le vérin électrique.
▶ 2.
▶ 3.
L'écart entre la destination souhaitée et la position atteinte est de 1,5 cm sur le document, , soit 3 miles.
▶ 4. Les phénomènes météorologiques sont la direction et la vitesse du vent. Donc, les capteurs qui permettent au calculateur de prendre en compte ces phénomènes sont la girouette et l'anémomètre.