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AR Drone Dossier technique et scientifique pour le CAPET section sciences industrielles de l’ingénieur option informatique numérique Sommaire 1. Introduction 2. Choix du support technique 2.1. Description du support technique 2.2. Critères de choix 2.3. Inconvénients 3. Dossier technique et scientifique 3.1. Description de l’AR drone 3.2. Description du fonctionnement de l’AR drone 3.3. Problématique 1 – Quelle est la charge utile du drone ? 3.4. Problématique 2 – Peut-on améliorer l’autonomie du drone ? 3.5. Conclusions 4. Dossier pédagogique 4.1. Projet Pédagogique 4.2. Description du projet 4.3. Organisation de la classe 4.4. Synoptique de l’année 4.5. Tableau de bord 4.6. Budget 5. Conclusions 6. Bibliographie 7. Annexes Introduction Le document présent constitue le dossier technique et scientifique demandé pour l’épreuve sur dossier du concours du CAPET section sciences industrielles de l’ingénieur option informatique numérique. Au chapitre 2, je présente le support technique qui a été sélectionné : l’AR drone de la société Parrot. Les raisons qui ont conduit à ce choix sont expliquées en détail dans le même chapitre. Il s’agit d’un produit hautement technologique et peu onéreux, actuel et innovant, pluri-technologique, ludique, développé par une société et un laboratoire français. Je présente également les quelques inconvénients de ce support, qui n’ont pas empêché sa sélection. Au chapitre 3, je propose la résolution de deux problématiques simples qui font l’objet de développements scientifiques et techniques. La première problématique consiste à déterminer la charge utile du drone, pour vérifier qu’il est possible d’ajouter des équipements au drone dans le but d’augmenter ses fonctionnalités. La seconde problématique consiste à évaluer l’autonomie du drone, puis à sélectionner une nouvelle batterie pour augmenter l’autonomie en vol. Au chapitre 4, je propose un projet pédagogique sur la base de l’AR drone pour l’année de troisième. Il s’agit d’un long projet, pour l’année entière, qui permettra de mettre les élèves en situation, par l’intermédiaire d’un jeu de rôle « entreprise/client ». Les centres d’intérêt proposés sont basés sur le déroulement classique d’un projet. Choix du support technique Description du support technique Le drone est un engin volant autonome ou piloté à distance. Il était jusqu’alors principalement utilisé à des fins militaires pour réaliser des missions de surveillance, de reconnaissance, de combat. Son prix est aujourd’hui de plus en plus abordable et justifie son emploi dans des applications civiles toujours plus nombreuses : mission de recherche et de sauvetage, photo aérienne, observation de l’environnement littoral et marin, récolte de données pour la prévision météorologique, épandage agricole, détection de victimes d’avalanche, interventions en environnement radioactif, etc… Photo aérienne Surveillance d’avalanches Epandage agricole Intervention en milieu radioactif Figure 1 : Notre support technique : AR drone, un drone grand public. Il existe depuis 2010 un drone bas-coût destiné au grand public, conçu pour le divertissement (Figure 1). Il s’agit d’un hélicoptère quadri-hélices, stabilisé automatiquement et pilotable à distance par l’intermédiaire d’un téléphone mobile ou d’une tablette tactile. C’est ce produit hautement technologique que j’ai sélectionné comme support technique et pour lequel je propose au chapitre 3, une étude scientifique et technique et au chapitre 4, une exploitation pédagogique en classe de troisième. Critères de choix L’AR drone a été sélectionné comme support technique pour plusieurs raisons. Tout d’abord il s’agit d’un produit hautement technologique et grand public, plus particulièrement à destination des adolescents. Ce produit ludique est donc un formidable média pour familiariser les élèves à des concepts technologiques complexes et pourtant présents dans leur environnement quotidien : l’utilisation d’une tablette tactile, la communication sans-fil, l’utilisation d’applications pour téléphone, les caméras, la réalité augmentée, le fonctionnement d’un hélicoptère, le concept de véhicule autonome, le stockage d’énergie… Malgré cette richesse technologique, l’AR drone est commercialisé au tarif modique de 200€ (en version 1.0), ce qui en fait un outil accessible non seulement pour le grand public, mais aussi (et surtout, dans le cas qui nous intéresse) pour l’enseignement. Les tablettes tactiles sont également commercialisées à cet ordre de prix. L’achat de 6 drones et de 3 tablettes (par exemple), pour l’ensemble du niveau de troisième, représente un investissement de 1850€, ce qui me paraît raisonnable pour un collège. En outre, ce matériel pourra être réutilisé pendant plusieurs années. Les drones pourront être utilisés en classe de 6ème pour parler des transports et les tablettes tactiles peuvent être utilisées à tous les niveaux. L’AR drone est une plateforme pluri-technologique combinant mécanique, matériaux composites, électronique, asservissement, communication sans fil, aérodynamique, traitement de l’image, programmation. C’est donc un support intéressant pour la classe de troisième, alors que les élèves doivent choisir leur orientation. Celui-ci présente également quelques analogies avec les domaines d’application précédemment traités par les élèves, que sont les transports et la domotique. Les élèves pourront donc mobiliser leurs acquis pour développer de nouvelles connaissances ou proposer des solutions aux problèmes qui leur seront posés autour de ce support technique. Il s’agit d’un produit actuel et innovant, commercialisé depuis l’année 2010 et développé par la société française Parrot, conjointement avec une équipe de recherche de l’école des Mines ParisTech. Sans faire de patriotisme économique mal placé, il est important de donner à nos élèves des exemples de réussite dans le domaine technologique auxquels ils pourront s’identifier ; c’est une bonne manière de contrecarrer la morosité ambiante. Ces drones ont été développés par des ingénieurs et chercheurs français qui ont suivi le même cursus qu’eux (au moins jusqu’au collège). Le drone est un support particulièrement pertinent pour amener les élèves à se poser des questions d’ordre éthique. Quelles limites peut-on imposer au progrès technologique ou à ses usages ? En effet, les drones trouvent des applications dans le militaire pour des missions de combat, mais aussi dans le civil pour des missions de sauvetage. Inconvénients Par soucis de transparence, ce support technique présente quelques inconvénients décrits ci-dessous. Ce drone ne répond pas à un besoin (d’un point de vue industriel), si ce n’est au besoin de se divertir ! Nous verrons dans la suite qu’il peut devenir une plateforme pour répondre à des besoins, en subissant quelques modifications. Le fait que ce soit un objet volant peut poser des problèmes de sécurité pour le matériel et pour les élèves. L’AR drone est équipé de dispositifs adaptés pour réduire les risques (atterrissage en douceur dès la perte de communication avec la tablette, bouton d’arrêt d’urgence sur la tablette, possibilité de limiter la hauteur de vol, la vitesse, …). D’autre part, il est vrai que ce drone connaît un certain engouement de la part des professeurs de technologie (au lycée notamment). Il est donc possible de trouver des documents préparés sur Internet pour construire des séquences pédagogiques basées sur ce drone. Pour lever toute ambiguïté, je m’attacherai dans la suite à préciser mes sources dès qu’il ne s’agit pas d’une proposition originale. Dossier technique et scientifique Description de l’AR drone On donne ci-dessous quelques chiffres pour permettre au lecteur de mieux se représenter le produit. Les chiffres proviennent de la documentation fournie par AR Drone. Tableau 1 : Spécifications techniques de l’AR drone Caractéristique Valeur Vitesse 5 m/s ou 18 km/h Poids avec carène d’extérieur 380g Poids avec carène d’intérieur 420g Autonomie en vol 12 minutes Temps de charge 90 minutes Dimensions avec carène d’intérieur 52,5 × 51,5 cm Dimensions sans carène 45 × 29 cm On détaille ensuite les pièces et composants qui constituent l’AR drone. Qté Désignation Précisions 1 Carène sans arceaux pour l’intérieur en polypropylène expansé 1 Carène avec arceaux pour l’extérieur en plastique haute résistance PA66 chargé en fibres 1 Structure en fibre de carbone 4 Moteurs brushless 35000 trs/min, 15W 4 Hélices 1 Batterie au Lithium-Polymère 3 cellules – 11,1V – 1000 mAh – 105g 1 Chargeur de batterie Temps de charge 90 min 1 Caméra verticale pour la stabilisation horizontale capteur CMOS, angle 64°, fréquence de 60 images/sec 1 Caméra frontale pour le retour d’image sur le téléphone capteur CMOS, grand angle 93°, fréquence de 15 images/sec 1 Altimètre à capteur ultrason, pour la stabilisation verticale Portée de 6m 1 Accéléromètre 3 axes 1 Gyromètre 2 axes 1 Gyromètre de précision à 1-axe (axe vertical, ou lacet) 1 Carte mère Processeur ARM9 à 468 MHz Mémoire DDR de 128Mo à 200 MHz Connexion wifi 1 Connectique USB Description du fonctionnement de l’AR drone Le drone peut être piloté par l’intermédiaire d’une tablette tactile. L’utilisateur choisit alors de déplacer le drone : d’avant en arrière, de droite à gauche de haut en bas, ou de le faire pivoter autour de l’axe Z. Pour réaliser ces mouvements, le drone est équipé de 4 hélices pilotées indépendamment qui lui confèrent 4 degrés de mobilité. Il peut translater en XYZ et tourner autour de l’axe Z. La rotation autour de l’axe Y et la rotation autour de l’axe X sont liées à la translation suivant Y et X (respectivement). La mise en rotation d’une hélice génère un effort de poussée suivant Z mais également un couple (dû à la résistance de l’air sur les pales) autour de l’axe Z. Pour illustrer ce phénomène, les hélicoptères disposent d’un rotor anticouple en queue d’appareil pour contrer ce couple résistant qui tend à faire tourner l’hélicoptère autour de l’axe de rotation de l’hélice. Figure 2 : Modélisation du drone, figure issues de (Bresciani, 2008). Dans le cas de l’AR drone, les 4 hélices tournent deux à deux dans des directions opposées de manière à annuler le couple résultant autour de l’axe Z. Ainsi, lorsque les 4 hélices tournent à une vitesse constante et identique, le drone est en vol stationnaire. Pour translater suivant Z, il faut diminuer ou augmenter les vitesses de rotation ?1, ?2, ?3, ?4 de la même valeur. La différence de vitesse entre ?2 et ?4 crée une différence de poussée de part et d’autres de l’axe X, ce qui génère un couple de roulis autour de l’axe X. L’effort résultant provoque l’accélération ou la décélération du drone suivant Y. La différence de vitesse entre ?1 et ?3 crée une différence de poussée de part et d’autres de l’axe Y, ce qui génère un couple de tangage autour de l’axe Y. L’effort résultant provoque l’accélération ou la décélération du drone suivant X. (a) (b) (c) Figure 3 : (a) mouvement de roulis, (b) mouvement de tangage, (c) mouvement de lacet. Enfin, pour provoquer un couple de lacet, il faut créer un déséquilibre entre les vitesses de rotation, de sorte que ?1=?3??2=?4. Ainsi, les couples de tangage et de roulis sont nuls, mais le couple résultant autour de l’axe Z est non-nul et provoque le mouvement de lacet. Problématique 1 – Quelle est la charge utile du drone ? Problématique Nous avons vu au chapitre 2 qu’un drone est une excellente plateforme pour réaliser des applications variées. L’AR drone, tel qu’il est commercialisé, ne propose aucune fonctionnalité (hormis la prise de photos et de vidéos). Il pourrait être intéressant de le faire modifier par les élèves en y intégrant des équipements supplémentaires pour lui ajouter des fonctionnalités et répondre à un besoin réel. Ces équipements additionnels vont augmenter la masse du drone et il faut s’assurer que le drone est capable de voler avec cette masse supplémentaire. On se propose donc d’évaluer la charge utile que peut embarquer l’AR drone. Pour cela, il faut calculer la puissance développée par les moteurs lorsque le drone est en vol, en fonction de la masse du drone. On pourra en déduire la masse maximale du drone, sachant que les 4 moteurs développent une puissance mécanique de 15W. Développements théoriques et hypothèses On considère dans un premier temps, la phase de vol suivante : montée de 1m, vitesse nulle au départ et à la fin. On souhaite que l’AR drone puisse réaliser cette montée en 1 seconde. Les temps d’accélération et de décélération sont de 0,3s (d’après les vidéos disponibles sur internet, l’AR drone affiche ce type de performances). Le profil en vitesse de cette phase de vol est représenté en Figure 4. On cherche la valeur de l’accélération pour la prendre en compte dans le calcul de la puissance consommée. v(t) t(s) td=1-ta=0,7s ta=0,3s 0s 1s v0=a.ta Figure 4 : Profil de vitesse lors d’une phase d’ascension de 1m de l’AR drone. On exprime la distance parcourue en fonction de l’accélération, du temps d’accélération et du temps de décélération : d=ata22+v0td-ta+a1-td22 d=ata22+a.tatd-ta+ata22 d=a.tatd=1m On en déduit : a=4,76m/s2 D’après le Principe Fondamental de la dynamique (suivant l’axe Z) (voir Figure 5) : i=14fi=ma+g avec fi l’effort de poussée induit par l’hélice i en [N], g la gravité en [m/s²], m la masse du drone en [kg]. m(a+g) Figure 5 : Représentation des efforts, lors d’une phase d’ascension. Pour réaliser cette ascension, sans mouvement de roulis, tangage ou lacet, les 4 hélices doivent fournir le même effort de poussée. On donne ci-dessous l’effort maximal, pendant la phase d’accélération. fi=ma+g4 Il reste maintenant à déterminer la puissance induite par une hélice pour produire un effort de poussée. Ce calcul fait référence à des éléments de théorie d’aérodynamique. La théorie concernant la puissance induite d’une hélice a été mise au point par Rankin (1865) et Froude (1885), elle est connue sous le nom de « Momentum theory » ou encore « Disk actuator theory ». Lorsqu’elle tourne, l’hélice augmente la vitesse du vent, ceci crée une différence de pression de part et d’autre de l’hélice, provoquant ainsi un effort de poussée (voir Figure 6). hélice flux d’air Figure 6 : Représentation du flux d’air à travers une hélice. La théorie de Rankin-Froude nous permet de déterminer l’effort de poussée et la puissance induite par une hélice : F=2?Sv2 Pind=Fv=F32?S avec v la vitesse de l’air au niveau de l’hélice en [m/s], F l’effort de poussée de l’hélice en N, ? la masse volumique de l’air en kg/m3, S l’aire de la surface de portance en m2 (aire du disque formé par l’hélice en rotation). Aux conditions normales de température (20°C) et de pression : ?=1,204kg/m3 Le rapport entre la puissance induite et la puissance mécanique au niveau du rotor dépend de la forme de l’hélice, des perturbations de l’air qui sont induites par la rotation des pales. Elle peut être déterminée à l’aide d’un logiciel de simulation approprié ou par des essais en soufflerie. Ce rapport appelé « figure de mérite » donne le rendement de l’hélice. Dans l’article (Leishman, 2006), l’auteur explique que ce rapport est généralement compris entre 0,7 et 0,8 pour une hélice d’hélicoptère. Dans l’article (Paul Pounds, 2004), l’auteur utilise un rapport de 0,77 pour une hélice de drone quadrirotor sensiblement identique à l’AR drone. Dans la suite des calculs, on conserve un chiffre légèrement inférieur, pour se pénaliser : ?FM=0,6 Le couple moteur est transmis à l’axe de l’hélice par l’intermédiaire d’un couple d’engrenages droits, avec un facteur de réduction de 8/69. Ce type de transmission affiche un bon rendement, qu’on évalue à 98%. ?eng=0,98 Calculs Nous avons vu précédemment que l’effort de poussée maximal induit par chaque hélice pour obtenir un mouvement vertical s’écrit : fi=ma+g4 On en déduit l’écriture de la puissance à développer par chaque moteur : Pmoti=Pindi?eng.?FM=1?eng.?FMma+g432?S On connait la puissance maximale développée par le moteur : 15 W, donc la masse maximale du drone s’exprime : mmax=4a+g3Pmoti.?eng.?FM2.2??R2 Le rayon de la pale de l’AR drone est de 10cm, on obtient ci-dessous la masse maximale du drone qui peut être mise en sustentation par les 4 hélices : mmax=49.81+4,76315×0,98×0,62×2×1,204×?×0,12 mmaxdrone=0,50 kg La masse de l’AR drone équipé de sa carène d’intérieur est de 380g. La charge utile du drone est de 120g. Il est donc possible d’ajouter 120g d’équipement pour réaliser des fonctionnalités supplémentaires. Cas d’un déplacement dans le plan horizontal On souhaite vérifier que la puissance consommée n’est pas plus importante lors d’un mouvement horizontal que lors d’un mouvement vertical d’ascension que nous avons considéré jusqu’alors. Pour réaliser un déplacement horizontal, il faut donner une orientation (roulis et tangage) au drone (voir Figure 7), de sorte que la composante horizontale de l’effort résultant de la poussée des hélices soit non-nulle et dans la direction souhaitée. Cette composante horizontale induit une accélération du drone dans la même direction. Dans la suite, on néglige les efforts dus à la résistance de l’air à l’avancement du drone. Figure 7 : Représentation des efforts, pendant un mouvement horizontal. On considère une accélération et une décélération de 4,76m/s², identiques aux accélération et décélération considérées dans les calculs précédents. Dans ce cas, on obtient un effort résultant de poussée des hélices : i=14fi=ma2+g2 Pour n’induire aucun mouvement de rotation lors du mouvement de translation horizontale, les efforts de poussée des hélices doivent être tous identiques : fi=ma2+g24 En utilisant les mêmes développements théoriques expliqués précédemment, on obtient une masse maximale de : mmax=49.812+4,762315×0,98×0,62×2×1,204×?×0,12 mmaxdrone=0,66 kg On trouve une masse maximale totale plus importante dans le cas d’un déplacement horizontal que dans le cas d’un déplacement vertical. C’est donc le cas du déplacement vertical qui est le plus limitant. On retient donc une charge utile de 120g. Conclusion Les résultats obtenus coïncident bien avec la réalité, la masse maximale admissible est bien supérieure à la masse du drone. Néanmoins, ces résultats sont basés sur une approximation du rendement des hélices. Ce rendement pourrait être déterminé plus précisément, ainsi que la charge utile du drone, par des observations simples menées par les élèves. Les élèves pourraient ainsi ajouter des masselottes sur le drone pour vérifier la masse maximale pour pouvoir décoller. Les élèves pourraient également vérifier que le drone peut soulever une masse en vol stationnaire plus importante que la masse maximale pour pouvoir décoller (l’accélération du drone s’ajoutant à la gravité). Ces observations pourraient être complétées en ajoutant des masselottes excentrées par rapport au centre de gravité, de manière à constater l’incidence sur la stabilité du drone en vol. Problématique 2 – Peut-on améliorer l’autonomie du drone ? Problématique L’autonomie du drone est une caractéristique très importante. Les drones de longue endurance peuvent rester en vol pendant plus de 20 heures. Certains drones solaires ont une durée de vol illimitée. L’AR drone affiche une autonomie de 12 minutes, avec une batterie de 1Ah, délivrant une tension de 11,1V. On souhaite, dans un premier temps, vérifier cette autonomie donnée par le constructeur, puis nous verrons s’il est possible d’utiliser une batterie différente permettant d’obtenir une meilleure autonomie. Développements théoriques et hypothèses Nous avons vu précédemment comment déterminer la puissance à développer par les moteurs en fonction des efforts de poussée à fournir par les hélices. Pour obtenir des résultats représentatifs, on considère le cycle de déplacements suivants : Figure 8 : Cycle de déplacement pour le calcul de l’autonomie. Le cycle dure 6 secondes au total. On obtient en Figure 9, le graphe des efforts de poussée pour l’ensemble du cycle, en fonction du temps : Figure 9 : Représentation des efforts de poussée de chaque hélice pendant un cycle de déplacements. fi(t) t(s) m/4(g+a) m/4(g²+a²)0.5 m/4g m/4(g-a) Montée (1s) Translation horizontale (2s) Descente (1s) Translation horizontale (2s) La société Parrot ne diffuse aucune information sur les caractéristiques détaillées de son moteur. On ne connait donc pas son rendement. Je me suis alors basé sur les informations données par le constructeur Maxon pour une gamme de moteurs identiques. Ce constructeur annonce un rendement maximal de 76%, pour un moteur brushless de 12W. Ce rendement est sans doute donné à pleine charge. On considère dans la suite un rendement ?mot=0,6. On obtient ainsi la puissance électrique consommée : Pelec=1?moti=14Pindi Le courant consommé peut s’exprimer ainsi : i=PelecU où U est la tension d’alimentation exprimée en [V]. Pour obtenir la consommation de courant pendant un cycle, il suffit d’intégrer le courant sur le temps. Finalement, on peut exprimer la consommation de courant comme suit : Ccyc=titdt=tPelec(t)Udt La puissance électrique consommée est exprimée ainsi : Pelec=i=141?mot.?eng.?FMfi32?S Seule la force de poussée varie avec le temps. Cet effort est néanmoins constant par phase (voir Figure 9). On exprime à nouveau la consommation de courant : Ccyc=i=141U.?mot.?eng.?FM2?Stfi(t)3/2dt Calculs Pour déterminer la consommation de courant, on réalise une intégration par parties de la puissance électrique. En effet, celle-ci est constante par phase (voir Figure 9). Sur l’ensemble du cycle, on obtient 4 valeurs différentes  pour l’effort de poussée : 3,6 secondes de vitesse constante fi=mg4 0,6 secondes d’accélération verticale : fi=ma+g4 0,6 secondes de décélération verticale : fi=m(a-g)4 1,2 secondes d’accélération ou décélération horizontale fi=ma2+g24 On exprime la puissance électrique (instantanée) consommée à chaque phase, avec une masse totale de 380g. C’est la masse donnée par le constructeur avec la carène fournie pour le vol en intérieur. à vitesse constante : Pelec=43W accélération verticale : Pelec=67W décélération verticale : Pelec=14W acc. et déc. horizontale : Pelec=37W On obtient la consommation suivante pour le cycle complet : Ccyc=37×3,6+67×0,6+14×0,6+43×1,211,1 Ccyc=21 A.s Autonomie=Cbat×tcycCcyc=1×621*60=17min avec Cbat la charge électrique de la batterie de 1 Ah. Commentaires En vol stationnaire, l’autonomie est de 18 minutes. Les déplacements n’ont donc que peu d’incidence sur la consommation. La différence avec le chiffre donné par le constructeur (12 minutes) peut s’expliquer par le fait que nous n’ayons pas pris en compte, dans nos calculs, la consommation des différents équipements électroniques embarqués sur le drone, ni la résistance de l’air à l’avancement du drone. Si, on réalise le même calcul avec une masse de 500g (la masse maximale pour pouvoir réaliser le mouvement de montée déterminée au paragraphe précédent), on obtient une autonomie de 11 minutes. La masse de la batterie standard vendue avec le drone est de 105g. Si on voulait augmenter l’autonomie du drone, le premier réflexe serait de remplacer la batterie standard par une batterie de charge électrique plus importante. (a) (b) (c) Figure 10 : (a) batterie standard Parrot de 1Ah, (b) batterie Flytown de 1,3Ah, (c) batterie Flightmax de 2,2Ah. Considérons une batterie de la marque Zippy Flightmax, de charge 2200mAh, celle-ci affiche une masse de 190g. Dans ce cas, la masse totale du drone est de 465g, ce qui reste inférieur à la masse totale admissible de 500g, mais réduit considérablement la charge utile du drone (35g). Avec cette nouvelle batterie et cette nouvelle masse, l’autonomie passe à 28 minutes. En outre, les dimensions de cette batterie sont supérieures à celle de la batterie standard et compliquent donc son intégration. Considérons maintenant une batterie de la marque Flytown, de charge 1300mAh, mais pesant seulement 95g. Celle-ci affiche les mêmes dimensions que la batterie standard. Avec cette batterie, l’autonomie est portée à 23 minutes. On remarque donc qu’il ne suffit pas d’augmenter la charge de la batterie pour augmenter l’autonomie du drone, il faut également veiller à réduire la masse totale du drone. Parmi ces trois batteries, on choisira donc la batterie Flytown qui (outre l’augmentation d’autonomie) permet de réduire la masse totale du drone et donc d’augmenter la charge utile du drone. Marque batterie Masse batterie Charge électrique Masse totale Autonomie Dimensions Prix AR drone 105g 1000 mAh 380 g 17 minutes 70×38×22mm 29,90€ Flytown 95g 1300 mAh 370 g 23 minutes 72×34×22mm 21,90€ Zippy flightmax 190g 2200 mAh 465 g 28 minutes 108x36x24mm 45 € Conclusions Comme précédemment, nous trouvons des résultats cohérents par rapport aux données constructeur. Cependant les informations détaillées des composants intégrés dans le drone sont trop limitées pour obtenir des résultats précis. On ne connait pas les caractéristiques détaillées des moteurs, ni des autres composants électroniques. Nous avons fait des hypothèses sur le rendement des moteurs et sur les cycles de vol pour calculer l’autonomie de la batterie. Ces calculs nous ont permis de mettre en avant l’influence des deux paramètres que sont la charge et la masse de la batterie sur l’autonomie du drone. L’autonomie pourrait être déterminée expérimentalement par les élèves. Les essais pourraient être réalisés avec des batteries différentes pour amener les élèves à réfléchir sur les paramètres rentrant en jeu dans l’autonomie du drone. Conclusions Nous avons proposé, dans ce chapitre, la résolution de deux problématiques : déterminer la charge utile du drone et comment améliorer son autonomie. Nous avons montré dans ce chapitre qu’il est possible d’ajouter des composants embarqués sur le drone pour augmenter ses fonctionnalités. Si les performances en termes d’autonomie sont trop réduites, il est possible d’utiliser des batteries plus performantes tout en diminuant la masse. Bien sûr pour obtenir ces résultats, plusieurs hypothèses ont été faites, ces affirmations doivent être confirmées par des expérimentations. Nous avons vu que les deux problématiques soulevées peuvent déboucher sur des séances d’expérimentations intéressantes menées par les élèves. Dans la suite, je propose un projet pédagogique autour de ce drone pour la classe de troisième. Celui-ci consistera à modifier le drone sur la base d’un cahier des charges. Nous proposons dans la suite d’aborder les deux problématiques proposées, au cours de séquences reposant sur la démarche pédagogique par investigation ou de résolution de problème. Dossier pédagogique Projet Pédagogique Démarche projet Plusieurs démarches pédagogiques sont préconisées au collège, dont la démarche d’investigation, la démarche de résolution de problèmes et, en classe de troisième, la démarche projet. Dans la suite de ce document, je propose un projet unique pour l’année de troisième, avec la réalisation d’un prototype par chaque groupe d’élèves. Les trois démarches pédagogiques seront utilisées tout au long de l’année. L’année est découpée en plusieurs centres d’intérêt détaillés au paragraphe 3.4, reprenant les étapes classiques d’un projet. Ceci permettra aux élèves de comprendre le déroulement d’un projet et d’apprendre à travailler en équipe, à collaborer sur le long terme. Certaines séquences demandent un travail d’investigation pour d’approfondir les connaissances des élèves dans les domaines des matériaux, des procédés de fabrication... D’autres séquences proposent des situations problème, permettant de mobiliser les acquis des élèves et de développer de nouvelles connaissances et capacités. Mini-entreprise - jeu de rôles Pour améliorer l’implication des élèves, les aider à mieux collaborer et les responsabiliser, je propose de mettre en place un jeu de rôles. Chaque groupe d’élèves forme une mini-entreprise qui devra répondre au cahier des charges d’un client. Le rôle du client est idéalement joué par un professionnel (PME locale, artisan, …) ou à défaut par le professeur. Il faut un minimum de six cahiers des charges (un par groupe), de sorte que chaque groupe au sein d’une classe puisse travailler sur un sujet différent. Cette organisation oblige chaque groupe à être autonome et imaginatif. Les projets sont tous différents, avec néanmoins une base commune, détaillée dans la suite, pour que le professeur puisse assurer correctement le suivi de tous les groupes. Par ailleurs, le fait de traiter des sujets différents, rend le projet global plus stimulant pour l’enseignant également. Si elles sont, dans la pratique, difficiles à mettre en œuvre, ces relations collège/entreprise sont sans aucun doute stimulantes pour les élèves et utiles dans leur choix d’orientation. Je pense qu’il est imaginable de réussir à les concrétiser dans le cadre du type de projet proposé dans la suite de ce document, non-engageant d’un point de vue financier et planning. Pour que chaque élève ait une meilleure vision de ce qu’on attend de lui au sein du groupe, les élèves se distribuent les rôles à chaque début de trimestre (ou semestre). On associe à chacun de ces rôles des compétences du socle commun qui seront évaluées à chaque trimestre (Figure 11 et Tableau 2). Interdisciplinarité Pour encourager la créativité des élèves et développer les relations avec l’enseignement des arts plastiques, je propose d’inclure au projet l’étude du « design » du prototype. Ceci pourra se concrétiser par une séquence « design » au moment de l’étude des solutions, réalisée conjointement avec l’enseignement des arts plastiques. D’un point de vue technique, cette étude du design permettra aux élèves de traiter des problématiques intéressantes telles que le choix des matériaux, le choix du procédé de réalisation, l’usage des TIC pour réaliser des éléments décoratifs. Cette dimension artistique peut contribuer à une meilleure adhésion de la gente féminine à l’enseignement de la technologie (seuls 26% des diplômes d’ingénieur sont délivrés à des femmes). Dans la même optique, on pourra également mettre en avant, dans certains cahiers des charges, les thèmes de l’environnement et du développement durable. Figure 11 : Définition des rôles et compétences associées. Tableau 2 : Tableau des rôles et compétences associées du socle commun. Rôle Description du rôle Socle commun Coordonateur Responsable de la bonne entente et du bon fonctionnement du groupe. Il gère les conflits, la répartition du travail et le respect des délais. SC6 – Respecter les règles de vie collective SC7 - S’intégrer et coopérer dans un projet collectif SC7 – Assumer des rôles, prendre des initiatives et des décisions Responsable communication Responsable de la communication orale du groupe. Il rend compte des travaux et des réalisations du groupe. Responsable de la communication avec le client. SC1 – Formuler clairement un propos simple SC1 – Adapter sa prise de parole à la situation de communication SC1 – Développer de façon suivie un propos en public sur un sujet déterminé. SC4 – Saisir et mettre en page un texte SC4 – Ecrire, envoyer, diffuser, publier SC4 – Recevoir un commentaire, un message y compris avec des pièces jointes Responsable matériel Responsable du bon usage du matériel. Il récupère et restitue le matériel auprès du professeur, contrôle le rangement du poste de travail, signale tous les problèmes de panne, de dégradation. SC3 - Réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes SC7 - Etre autonome dans son travail : savoir l'organiser, le planifier, l'anticiper, rechercher et sélectionner des informations utiles Responsable informatique Responsable de la mise à jour des informations sur l’ENT du collège. Il contribue à la rédaction des textes et les illustre en insérant des images ou des vidéos. SC1 – Rédiger un texte bref, cohérent et ponctué, en réponse à une question ou à partir de consignes SC4 – Utiliser, gérer des espaces de stockage à disposition SC4 – Saisir et mettre en page un texte SC4 – Traiter une image, un son ou une vidéo SC4 – Ecrire, envoyer, diffuser, publier Responsable technique Responsable de la recherche et du classement de la documentation technique mise à disposition du groupe. Responsable des choix techniques réalisés et de la qualité de la réalisation obtenue. SC2 – Comprendre le sens général de documents écrits SC3 – Rechercher, extraire et organiser l’information utile SC3 – Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l’aide d’un langage adapté Responsable design Responsable des choix esthétiques pour le prototype. Proposition d’une charte graphique en accord avec le client. Création et impression d’images à disposer sur le prototype. SC4 – Utiliser les logiciels et les services à disposition SC4 – Traiter une image, un son ou une vidéo SC5 – Connaître et pratiquer diverses formes d’expression à visée artistique SC7 - S’intégrer et coopérer dans un projet collectif SC7 – Manifester curiosité, créativité, motivation à travers des activités conduites ou reconnues par l’établissement Description du projet L’AR drone comme base commune Je propose aux élèves la mise en situation suivante. Plusieurs PME, associations et artisans locaux ont contacté le collège pour lui communiquer un cahier des charges. Si toutes les demandes sont différentes, chaque réalisation est basée sur un AR drone. Il s’agit de transformer cette base pour répondre au besoin du client exprimé dans le cahier des charges. On donne ci-dessous quelques exemples de cahiers des charges (inventés pour l’occasion) : La caserne des pompiers souhaite disposer d’un drone équipé pour transporter des matériels de premiers secours et les distribuer dans des endroits difficiles d’accès. Le drone sera équipé de leds clignotantes et d’un avertisseur sonore pour permettre sa localisation quelles que soient les conditions extérieures (obscurité). Un photographe souhaite réaliser des photos et vidéos en hauteur. L’AR drone est équipé d’une caméra, mais il faut tester cette fonctionnalité et rédiger une documentation pour apprendre au client à s’en servir. Le client souhaite également que ce drone soit un objet publicitaire et puisse représenter son entreprise lors de prestations à l’extérieur (mariage,…). Un ingénieur du son à son compte souhaite disposer d’un capteur embarqué sur un drone pour mesurer les décibels au cours d’un concert. Plusieurs leds lui permettront de visualiser sur le téléphone (via la caméra) la puissance du son et ainsi d’ajuster la puissance sonore délivrée par les enceintes. Cet objet doit également lui permettre de lui faire de la publicité et donner un « look » d’enceinte au drone. Une association d’agriculteurs souhaite réaliser un testeur d’électrification de barrière électrique, sans avoir à se déplacer. Une led doit permettre à l’opérateur de visualiser l’état de la barrière (sous tension, ou non) sur le téléphone (via la caméra). Une association de protection de l’environnement souhaite disposer d’un équipement volant pour réaliser des prélèvements d’eau à différents endroits d’un lac. Les matériaux utilisés devront respecter les normes de développement durable. Le drone sera équipé de flotteurs (ou autre système) pour éviter tout contact avec l’eau. Les élèves devront systématiquement apporter des modifications mécaniques à l’AR drone, pour remplir le cahier des charges et/ou pour des raisons esthétiques. Suivant les cas, les élèves auront également un petit circuit électronique à réaliser. Fête du collège On propose de clore cette année de troisième par un « mini-évènement » qui permettra : aux élèves de présenter leurs travaux à un plus large public, de valoriser le travail des élèves, de les associer à l’animation de la vie du collège, de mettre en lumière l’enseignement de la technologie, de permettre aux parents de découvrir les activités de technologie réalisées par leurs enfants. Ainsi, on imagine que chaque année a lieu en juin la fête de notre collège fictif. Les classes de troisième organisent au cours de cette fête une animation à caractère ludique pour les enfants et adolescents présents. Celle-ci consiste à faire voler plusieurs drones sélectionnés par les clients pour représenter leur entreprise. Les réalisations non-sélectionnées pourront être présentées par un diaporama préparé par les élèves. Cette animation pourra être sponsorisée par les différentes entreprises et représenter un enjeu supplémentaire, ou un moyen de développer d’autres projets en dehors de la classe. Organisation de la classe Constitution des groupes Les groupes sont formés dès la première séance et constitués de 4 à 5 élèves. L’objectif est d’obtenir des groupes de niveau homogène. Entre imposer le groupe et laisser une totale liberté dans sa constitution, on pourra trouver le compromis suivant. On demande à chaque élève de classer par ordre de préférence les projets présentés et de donner deux noms d’élèves avec qui ils souhaitent travailler et deux autres noms avec qui ils ne souhaitent pas travailler. Ainsi les groupes pourront être formés de façon à obtenir des groupes homogènes et une ambiance sereine de travail. Ce dispositif confère une certaine légitimité au professeur dans la constitution des groupes. Organisation de la salle L’organisation en îlots est préconisée par le ministère de l’éducation pour le laboratoire de technologie à tous les niveaux du collège. Elle est indispensable pour mettre en œuvre la démarche pédagogique par projet et permettre le travail en équipe. Chaque îlot est constitué de 2 grandes tables disposées en L et est équipé de deux à trois postes informatiques, un drone et la documentation technique associée (voir Figure 12). Figure 12 : Organisation de la salle en îlots de travail. Synoptique de l’année L’année scolaire est découpée en centres d’intérêt, eux-mêmes découpés en une ou plusieurs séquences. Chaque séquence doit déboucher sur la constitution d’une synthèse. On décide de répartir l’ensemble du projet sur 32 séances de 2 heures. Je me suis basé sur le livre « la conduite de projets » de Thierry Hougron pour définir les étapes-clé d’un projet et organiser les centres d’intérêt (Hougron, 2001). Tableau 3 : Synoptique du projet sur l’année. Début d’année Séquence 0 - Présentation des projets S0 CI1 - Compréhension du besoin du client Séquence 1 - Lancement du projet S1 S2 Séquence 2 - Rédaction du cahier des charges fonctionnel S3 S4 S5 CI2 - Recherche de solutions techniques Séquence 3 - Etude de l’existant S6 S7 Séquence 4 - Proposition de solutions techniques S8 S9 S10 S11 Séquence 5 - Design industriel du produit S12 S13 CI3 – Revue de projet et choix d’une solution Séquence 6 - Comparaison des solutions S14 S15 Séquence 7 - Revue de projet S16 S17 Séquence 8 - Représentation du réel S18 S19 S20 CI4 - Réalisation et validation du prototype Séquence 9 - Organisation de la réalisation S21 S22 Séquence 10 - Réalisation du prototype S23 S24 S25 S26 S27 S28 CI5 - Livraison au client Séquence 11 - Livraison au client S29 S30 CI6 - Organisation de l’évènement Séquence 12 - Organisation de l’évènement S31 S32 Tableau de bord On présente dans la suite le tableau de bord de chaque séquence. Dans ce document professeur, on retrouve : la formulation de la situation problème, la durée de la séquence en nombre de séances, le calendrier et la progression du projet, les connaissances et compétences à valider extraites du programme de technologie (avec un code couleur en fonction de l’approche), les objectifs de la séquence, les résultats attendus en fin de séquence, les fiches de synthèse à compléter par les élèves au long de la séquence, les activités attendues des élèves, le mode d’évaluation. Classe de troisième Collège X Projet U drone Centre d’Intérêt 1 Compréhension du besoin du client Séquence 1 Lancement du projet Durée : 2 séances Situation problème : Vous venez de recevoir un cahier des charges de votre client. Vous devez définir plus précisément son besoin en l’interrogeant ! Vous allez travailler en équipe pendant plusieurs semaines, comment vous organiser pour que votre projet soit une réussite ? S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 Connaissances Niveau Capacités Besoin 3 Formaliser sans ambiguïté une description du besoin Cahier des charges simplifié 3 Rédiger ou compléter un cahier des charges simplifié de l’objet technique Planification, antériorité, chronologie des opérations 3 Gérer l’organisation et la coordination du projet Messageries diverses, flux audio ou vidéo 2 Choisir un mode de dialogue ou de diffusion adapté à un besoin de communication Outil de travail collaboratif : liste de diffusion, forum, blog, partage de documents, partage d’applications,… 2 Choisir et utiliser les services ou les outils adaptés aux tâches à réaliser dans un travail de groupe ou pour un travail collaboratif Objectifs : Compréhension des besoins du client Appropriation du projet par les élèves Composition de l’équipe Organisation du travail en équipe Planification des différentes étapes du projet Résultats attendus : Fiche de synthèse « cahier des charges » complétée Fiche de synthèse « organisation d’un projet » complétée Prise en main de l’ENT Cahier des charges simplifié du besoin Planning du projet Fiche synthèse : Cahier des charges Organisation d’un projet (planning, étapes d’un projet) Activité des élèves : Prendre connaissance du besoin du client Donner un nom à la mini-entreprise et au projet Attribution des rôles pour chaque élève par le groupe (coordinateur, resp. communication, resp. matériel, …) Formuler des questions concernant le besoin Communiquer avec le client pour lui demander des précisions sur son besoin Prendre connaissance de l’ENT et réfléchir sur sa bonne utilisation Mettre en place les différents outils de suivi de projet (planning, tableau de bord) Mode d’évaluation : Evaluation écrite sur le cahier des charges et l’organisation d’un projet Classe de troisième Collège X Projet U drone Centre d’Intérêt 1 Compréhension du besoin du client Séquence 2 Rédaction du cahier des charges fonctionnel Durée : 3 séances Situation problème : Vous disposez d’un drone que vous allez améliorer pour réaliser un produit qui réponde au cahier des charges. Comment fonctionne ce drone ? Quelle est sa charge utile ? Quel est son rayon d’action ? Quels matériaux ont été utilisés dans sa construction et pour quelles raisons ? Pour vous mettre d’accord avec votre client sur les objectifs du produit à fabriquer, vous allez rédiger un cahier des charges fonctionnel. S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 Connaissances Niveau Capacités Représentation fonctionnelle 2 Enoncer et décrire sous forme graphique des fonctions que l’objet technique doit satisfaire Critères d’appréciation 2 Définir les critères d’appréciation d’une ou plusieurs fonctions Contraintes 3 Dresser la liste des contraintes à respecter Méthodologie de choix de matériaux 1 Identifier les propriétés pertinentes des matériaux à prendre en compte pour répondre aux contraintes du cahier des charges Objectifs : Compréhension du fonctionnement du drone Compréhension des limites du drone Lister les contraintes techniques imposées sur la modification du drone Identifier le critère principal dans le choix des matériaux Résultats attendus : Fiche de synthèse « fonctionnement du drone » complétée Fiche de synthèse « cahier des charges fonctionnel » complétée Fiche synthèse : Fonctionnement du drone (aéraulique, stockage d’énergie électrique, communication sans-fil) Cahier des charges fonctionnel Activité des élèves : Remplir la fiche de synthèse « fonctionnement du drone » à partir des résultats des expérimentations Démarrer le drone, comprendre comment il se déplace Comprendre la distance maximale de pilotage (due à la communication sans fil) Analyse le comportement du drone pour se mettre en sécurité Lister les paramètres du drone (vitesse, accélération, …) Déterminer la charge utile du drone, ajouter du poids, analyser le comportement drone charge centrée et décentrée Etudier le rapport entre autonomie et masse embarquée Déterminer les matériaux utilisés dans la fabrication du drone, avec quel procédé de fabrication. Quel est le principal critère de choix des matériaux ? Lister les contraintes techniques à prendre en compte dans la modification du drone et celles liées à l’application Remplir la fiche de synthèse « Cahier des charges fonctionnel » Etablir un cahier des charges fonctionnel et le faire valider par le client Présenter son projet oralement au reste de la classe Mode d’évaluation : Présentation orale par chaque groupe de son projet Evaluation du dossier technique Classe de troisième Collège X Projet U drone Centre d’Intérêt 2 Recherche de solutions techniques Séquence 3 Etude de l’existant Durée : 2 séances Situation problème : Vous devez développer un produit nouveau, mais il existe sans doute déjà des solutions qui répondent en partie au besoin exprimé par votre client ? Pour cela, réalisez une veille technologique afin de découvrir ce qu’est un drone, quelles sont ses applications courantes ? Quel sont les différents types d’énergie utilisés, leurs avantages, leurs inconvénients ? Quels sont les matériaux généralement utilisés et leur procédé de fabrication ? Vérifiez qu’il n’existe pas de produit (non-embarqué sur un drone) qui réponde en partie au besoin du client ! S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 Connaissances Niveau Capacités La mise en forme des matériaux 2 Identifier quelques procédés permettant de mettre en forme le matériau au niveau industriel et au niveau artisanal Caractéristiques d’une source d’énergie 2 Identifier les caractéristiques de différentes sources d’énergie possibles pour l’objet technique Sources et disponibilités des ressources énergétiques 1 Identifier les grandes familles de sources d’énergies Progrès technique, inventions et innovations, développement durable 2 Situer dans le temps les inventions en rapport avec l’objet technique étudié Progrès technique, inventions et innovations, développement durable 2 Repérer le ou les progrès apportés par cet objet Progrès technique, inventions et innovations, développement durable 2 Repérer dans un objet technique donné une ou des évolutions dans les principes techniques de construction (matériaux, énergies, structures, design, procédés) Veille technologique 1 Organiser une veille technologique Objectifs : Veille technologique sur les solutions existantes Etudier les matériaux et procédés de fabrication Réfléchir sur le concept de drone Résultats attendus : Fiche de synthèse « Matériaux et procédés de fabrication » complétée Fiche de synthèse « Energie et stockage » complétée Documentation sur les solutions existantes Fiche synthèse : Matériaux et procédés de fabrication Energie et stockage Activité des élèves : Faire des recherches (internet, CDI) sur les drones et toutes les solutions répondant en partie au cahier des charges Faire un historique des drones Recenser les énergies utilisées et étudier l’autonomie en fonction du type d’énergie Recenser les matériaux utilisés dans la conception d’un drone et les procédés de fabrication associés, quel est le critère de choix ? Faire des recherches sur les applications civiles et militaires d’un drone Constituer un chapitre dans le dossier technique sur l’étude de l’existant (rassembler la documentation) Répondre à la question « le drone est-il éthique ? quelles limites faut-il imposer au progrès technologique ? » Débattre avec le reste de la classe de cette question Mode d’évaluation : Evaluation écrite sur les matériaux et énergie Classe de troisième Collège X Projet U drone Centre d’Intérêt 2 Recherche de solutions techniques Séquence 4 Proposition de solutions techniques Durée : 4 séances Situation problème : Sur la base du cahier des charges et des solutions existantes, comment proposer une solution innovante ? Les solutions imaginées au cours d’un brainstorming devront faire l’objet de croquis puis de tests pratiques. S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 Connaissances Niveau Capacités Solution technique 3 Proposer des solutions techniques différentes qui réalisent une même fonction Solution technique 3 Choisir et réaliser une ou plusieurs solutions techniques permettant de réaliser une fonction donnée Représentation structurelle Modélisation du réel 3 Réaliser un schéma, un dessin scientifique ou technique par une représentation numérique à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur, en respectant les conventions Critères de choix d’un matériau pour une solution technique donnée 2 Identifier les relations principales entre solutions, matériaux et procédés de réalisation Critères de choix énergétiques 3 Choisir, pour une application donnée, une énergie adaptée au besoin Identité numérique, mot de passe, identifiant 3 Gérer son espace numérique : structure des données, espace mémoire, sauvegarde et versions, droits d’accès aux documents numériques Objectifs : Etude mécanique du drone et des points de fixation Imaginer des solutions techniques Faire des essais pour tester les solutions proposées Résultats attendus : Plan 3D du drone avec les points de fixation Croquis de solutions répondant au cdc Résultats des expérimentations menées Consigner ces travaux dans le dossier technique Fiche synthèse : Méthodes d’innovation (brainstorming, …) Activité des élèves : Réattribuer les rôles au sein de l’équipe pour le nouveau trimestre Démonter l’AR drone et étudier la possibilité d’implanter des composants sur le châssis Réaliser des expérimentations, mesures, essais Proposer plusieurs solutions techniques différentes pour réaliser les fonctions du cahier des charges Représenter ces solutions à l’aide de croquis ou à l’aide de logiciels adaptés Mode d’évaluation : Evaluation du dossier technique Classe de troisième Collège X Projet U drone Centre d’Intérêt 2 Recherche de solutions techniques Séquence 5 Design industriel du produit Durée : 2 séances Situation problème : Votre produit doit être fonctionnel, mais il doit répondre également à des contraintes d’esthétique ! Votre client a-t’il la même conception de l’esthétique que votre groupe ? Comment améliorer l’esthétique de votre produit tout en garantissant sa réalisabilité ? Quels matériaux allez-vous utiliser, avec quel procédé de fabrication allez-vous les transformer ? S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 Connaissances Niveau Capacités Critères de choix d’un matériau pour une solution technique donnée 2 Identifier les relations principales entre solutions, matériaux et procédés de réalisation La mise en forme des matériaux 2 Identifier quelques procédés permettant de mettre en forme le matériau au niveau industriel et au niveau artisanal Méthodologie de choix de matériaux 1 Identifier les propriétés pertinentes des matériaux à prendre en compte pour répondre aux contraintes du cahier des charges Propriétés des matériaux et procédés de réalisation 2 Justifier le choix d’un matériau au regard des contraintes de réalisation Objectifs : Imaginer plusieurs designs du produit Vérifier la possibilité de réaliser les designs imaginés (avec quel matériau et quel procédé) Proposer des procédés pour améliorer l’esthétique (peinture, chromage, autocollants) Résultats attendus : Croquis du produit Choix de matériaux et procédés de fabrication Charte graphique Logos du client traités au format numérique Fiche « design industriel » complétée Fiche synthèse : Design industriel Activité des élèves : Conjointement avec l’enseignement d’arts plastiques, imaginer différents designs pour le prototype Imaginer pour chaque esquisse les matériaux utilisables et le procédé de fabrication à mettre en œuvre Sélectionner une proposition de design Convenir avec le client d’une charte graphique Traiter les outils graphiques (logos) avec un logiciel adapté Mode d’évaluation : Evaluation du dossier technique Classe de troisième Collège X Projet U drone Centre d’Intérêt 3 Revue de projet et choix d’une solution Séquence 6 Comparaison des solutions Durée : 2 séances Situation problème : Après avoir mis au point et testé plusieurs solutions techniques, imaginés des designs pour votre produit, quelle méthode adopter pour choisir la bonne solution ? en fonction de quels critères ? En dehors du coût, définissez les critères à prendre en compte dans le choix d’une solution. Calculer le coût de chaque solution. S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 Connaissances Niveau Capacités Contraintes 3 Pour quelques contraintes choisies, définir le niveau que doit respecter l’objet technique à concevoir Contraintes 2 Evaluer le coût d’une solution technique et d’un objet technique dans le cadre d’une réalisation au collège Méthodologie de choix de matériaux 2 Hiérarchiser les propriétés Méthodologie de choix de matériaux 3 Choisir un matériau dans une liste fournie en fonction d’un critère défini dans le cahier des charges Objectifs : Identification des critères de comparaison Calcul du coût Calcul du poids Résultats attendus : Fiche de synthèse « évaluation du coût » complétée Nomenclatures des solutions conservées Calcul du poids et du coût pour chaque solution Fiche synthèse : Evaluation du coût Activité des élèves : Rédiger des nomenclatures pour chaque solution Affiner le choix des matériaux pour respecter le cahier des charges Evaluer le coût et le poids de chaque composant Déterminer le coût et le poids global de chaque solution Identifier d’autres critères de comparaison en fonction du cahier des charges Comparer les solutions en fonction de ces critères Mode d’évaluation : néant Classe de troisième Collège X Projet U drone Centre d’Intérêt 3 Revue de projet et choix d’une solution Séquence 7 Revue de projet Durée : 2 séances Situation problème : Quel support choisir pour présenter vos travaux ? Présentez au reste de la classe les solutions techniques que vous avez imaginées et en particulier la solution que vous avez retenue en expliquant pourquoi ! S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 Connaissances Niveau Capacités Solution technique 3 Valider une solution technique proposée Messageries diverses, flux audio ou vidéo 2 Choisir un mode de dialogue ou de diffusion adapté à un besoin de communication Document multimédia. Nature et caractéristiques des documents multimédias 1 Distinguer les différents types de documents multimédias en fonction de leurs usages Document multimédia. Nature et caractéristiques des documents multimédias 2 Choisir et justifier un format de fichier pour réaliser un document multimédia Document multimédia. Nature et caractéristiques des documents multimédias 3 Créer et scénariser un document multimédia en réponse à un projet de publication, mobilisant plusieurs médias Objectifs : Réaliser une présentation à l’aide d’un logiciel adapté Présenter les solutions trouvées et celle retenue Résultats attendus : Une présentation orale des solutions techniques Des arguments pour défendre la solution retenue Fiche synthèse : Activité des élèves : Choisir un support pour présenter son travail au reste de la classe Trouver les arguments pour défendre la solution retenue Préparer la présentation à l’aide de logiciels adaptés Présenter les solutions envisagées et la solution retenue Faire débattre la classe entière sur la solution retenue Réattribuer les rôles au sein de l’équipe pour le nouveau trimestre Mode d’évaluation : Evaluation de la présentation orale Classe de troisième Collège X Projet U drone Centre d’Intérêt 3 Revue de projet et choix d’une solution Séquence 8 Représentation du réel Durée : 3 séances Situation problème : Quels logiciels pouvez-vous utiliser pour modéliser votre prototype avant de vous lancer dans sa fabrication ? S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 Connaissances Niveau Capacités Solution technique 3 Choisir et réaliser une ou plusieurs solutions techniques permettant de réaliser une fonction donnée Représentation structurelle Modélisation du réel 3 Réaliser un schéma, un dessin scientifique ou technique par une représentation numérique à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur, en respectant les conventions Identité numérique, mot de passe, identifiant 3 Gérer son espace numérique : structure des données, espace mémoire, sauvegarde et versions, droits d’accès aux documents numériques Objectifs : Prendre en compte les commentaires de la revue de projet pour modifier la solution Prendre en main le logiciel de modélisation 3D Modéliser l’ensemble de la solution définie Résultats attendus : Modèle 3D du drone Etude du poids du drone Etude de la répartition de la masse Fiche synthèse : Modélisation 3D avec Solidworks Activité des élèves : Faire le bilan des commentaires qui ont été émis pendant la revue de projet Mettre à jour la solution en fonction de ces commentaires Modéliser les pièces une par une avec Solidworks, en spécifiant les matériaux Réaliser un assemblage de pièces avec Solidworks Evaluer le poids de chaque pièce et celui du prototype complet Modifier la géométrie des pièces les plus lourdes pour respecter le poids maximal fixé Vérifier si celui-ci est bien centré par rapport aux 4 hélices Mode d’évaluation : Evaluation de trois fichiers par élève (pièce ou assemblage) Evaluation du dossier technique Classe de troisième Collège X Projet U drone Centre d’Intérêt 4 Réalisation et validation du prototype Séquence 9 Organisation de la réalisation Durée : 2 séances Situation problème : La solution technique est complètement définie, il reste à la réaliser. Comment allez-vous organiser la réalisation de ce prototype ? Quelles sont les machines que vous allez utiliser ? Quelles sont les procédures à mettre en œuvre pour assurer la sécurité de l’opérateur ? Quels sont les documents à fournir pour pouvoir réaliser les différentes pièces mécaniques et circuits électriques ? S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 Connaissances Niveau Capacités Origine des matières premières et disponibilité des matériaux 3 Identifier l’origine des matières premières et leur disponibilité Propriétés des matériaux et procédés de réalisation 2 Justifier le choix d’un matériau au regard des contraintes de réalisation Contraintes liées aux procédés de réalisation. Contraintes liées aux procédés de contrôle et de validation 2 Enoncer les contraintes liées à la mise en œuvre d’un procédé de réalisation et notamment celles liées à la sécurité Contraintes liées aux procédés de réalisation. Contraintes liées aux procédés de contrôle et de validation 3 Rédiger les consignes relatives à la sécurité dans une fiche de procédure d’une opération Contraintes liées aux procédés de réalisation. Contraintes liées aux procédés de contrôle et de validation 3 Définir à l’avance les contrôles à effectuer pour toute opération de fabrication ou d’assemblage Planning de réalisation 3 Créer le planning de réalisation du prototype Objectifs : Finaliser le choix des matériaux en fonction des matières premières disponibles au collège Finaliser le processus de fabrication Organiser la réalisation du prototype Résultats attendus : Liste des pièces à réaliser, matériaux et procédés de fabrication Planning de réalisation Documents de fabrication Procédures de sécurité pour chaque machine à utiliser Fiche synthèse : Utilisation du charlyrobot Utilisation des outils du laboratoire de technologie Activité des élèves : Vérifier la disponibilité des matériaux sélectionnés précédemment Vérifier en fonction des outils disponibles, les procédés de fabrication à mettre en œuvre Pour chaque pièce, identifier les documents à produire pour pouvoir réaliser la pièce (plans, …) Identifier les différentes étapes de réalisation du prototype planifier ces étapes Etablir les procédures de sécurité pour chaque outil à utiliser Mode d’évaluation : Evaluation des procédures de sécurité (une par élève, deux élèves sur le Charlyrobot) Evaluation du dossier technique Classe de troisième Collège X Projet U drone Centre d’Intérêt 4 Réalisation et validation du prototype Séquence 10 Réalisation du prototype Durée : 6 séances Situation problème : Vous allez réaliser les pièces et composants à intégrer sur votre drone. Comment assurer la qualité des pièces réalisées ? Quels logiciels utilisés pour réaliser les décors de votre prototype ? S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 Connaissances Niveau Capacités Planification, calendrier 3 Rechercher l’information utile dans le plan d’actions, le suivi des modifications et la planification des travaux à livrer Document multimédia. Nature et caractéristiques des documents multimédias 2 Choisir et justifier un format de fichier pour réaliser un document multimédia Contraintes liées aux procédés de réalisation. Contraintes liées aux procédés de contrôle et de validation 3 Rédiger les consignes relatives à la sécurité dans une fiche de procédure d’une opération Antériorités et ordonnancement 3 Conduire la réalisation du prototype Objectifs : Réalisation de qualité des pièces mécaniques Réception des composants à intégrer Assemblage des pièces mécaniques et autres composants Décor du prototype avec peinture autocollant Résultats attendus : pièces réalisées et contrôlées prototype assemblé prototype décoré photos de la fabrication Fiche synthèse : Contrôle qualité Activité des élèves : Réattribuer les rôles au sein de l’équipe pour le nouveau trimestre Réaliser les documents de fabrication Etablir une procédure de contrôle de la qualité des pièces réalisées Réalisation des pièces Etablir une fiche de contrôle de la qualité pour chaque pièce réalisée contrôler les poids des pièces au fur et à mesure Assembler les pièces, contrôler au fur et à mesure le fonctionnement du produit Réaliser avec un logiciel adapté les autocollants et autres décors du prototype Imprimer les décors et les disposer sur le prototype faire des photos et des vidéos régulièrement de la fabrication pour agrémenter le dossier technique Mode d’évaluation : Evaluation du dossier technique Evaluation du comportement (respect des règles de sécurité, soin, pas de gaspillage de matière première) Evaluation de la qualité des pièces réalisées Classe de troisième Collège X Projet U drone Centre d’Intérêt 5 Livraison au client Séquence 11 Livraison au client Durée : 2 séances Situation problème : Maintenant que vous avez réalisé votre prototype, que vous reste-t-il à faire avant de l’expédier à votre client ? Etes-vous certains que le client en sera satisfait ? Comment va-t-il apprendre à utiliser ce produit ? Quels médias pouvez-vous réaliser pour mettre en valeur votre produit et le vendre à d’autres clients ? S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 Connaissances Niveau Capacités Origine des matières premières et disponibilité des matériaux 2 Identifier l’impact d’une transformation et d’un recyclage en terme de développement durable Impact sur l’environnement 2 Indiquer le caractère plus ou moins polluant de la source d’énergie utilisée pour le fonctionnement de l’objet technique Durée de vie Cycle de vie de l’objet technique 1 Repérer pour un objet technique donné, sa durée de vie et les conditions réelles ou imaginées de sa disparition Progrès technique, inventions et innovations, développement durable 2 Repérer le ou les progrès apportés par cet objet Progrès technique, inventions et innovations, développement durable 1 Repérer les époques et identifier les mesures qui ont entrainé l’homme à prendre conscience de la protection de l’environnement Messageries diverses, flux audio ou vidéo 2 Choisir un mode de dialogue ou de diffusion adapté à un besoin de communication Document multimédia. Nature et caractéristiques des documents multimédias 1 Distinguer les différents types de documents multimédias en fonction de leurs usages Document multimédia. Nature et caractéristiques des documents multimédias 2 Choisir et justifier un format de fichier pour réaliser un document multimédia Document multimédia. Nature et caractéristiques des documents multimédias 3 Créer et scénariser un document multimédia en réponse à un projet de publication, mobilisant plusieurs médias Objectifs : Valider la conformité du prototype au cahier des charges Rédiger une notice d’exploitation Réaliser un document commercial Résultats attendus : Validation du prototype par rapport au cdc Notice d’exploitation pour le client fiche synthèse « réalisation d’un document commercial » complétée Document commercial pour communiquer sur le produit Fiche synthèse : Réalisation d‘un document commercial Activité des élèves : Valider le prototype par rapport au cahier des charges Identifier les éventuelles défaillances Rédiger une notice d’exploitation pour apprendre au client à se servir de son produit Faire des photos pour les intégrer dans le rapport. Il est aussi possible de faire une vidéo explicative. Préciser les précautions d’emploi pour assurer la sécurité des personnes et du drone Réfléchir sur le support commercial à réaliser, avec quels outils logiciels Réaliser un support commercial pour communiquer sur la solution réalisée et le diffuser sur internet Mode d’évaluation : Evaluation de la notice d’exploitation du produit Evaluation du document commercial Classe de troisième Collège X Projet U drone Centre d’Intérêt 6 Organisation de l’évènement Séquence 12 Organisation de l’évènement Durée : 2 séances Situation problème : Vous devez organiser le déroulement de l’animation pendant la fête du collège. Comment organiser l’utilisation des drones et la charge des batteries pour garantir une animation de 2h00 avec au moins 4 drones en vol ? Comment baliser la cours de l’école pour assurer la sécurité des personnes tout au long de l’animation ? Quel logiciel installer sur les tablettes pour rendre l’animation plus ludique ? comment l’expliquer rapidement aux participants ? S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 Connaissances Niveau Capacités Représentation structurelle Modélisation du réel 3 Réaliser un schéma, un dessin scientifique ou technique par une représentation numérique à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur, en respectant les conventions Planification, antériorité, chronologie des opérations 3 Gérer l’organisation et la coordination d’un évènement Caractéristiques d’une source d’énergie 2 Identifier les caractéristiques de différentes sources d’énergie possibles pour l’objet technique Contraintes de sécurité Enoncer les contraintes de sécurité liées à la mise en œuvre d’un évènement Contraintes de sécurité Rédiger les consignes relatives à la sécurité dans une fiche de procédure d’une opération Objectifs : Proposer une organisation de l’animation pour assurer la sécurité des personnes présentes Proposer une organisation dans l’utilisation des batteries et chargeurs pendant l’animation Rechercher un logiciel pour smartphone pour rendre l’animation plus ludique établir un document « règle du jeu » Résultats attendus : Plan de la cours du collège avec balisage au sol pour l’animation Document pour expliquer les règles de sécurité Document pour expliquer comment exploiter les batteries pendant l’animation Logiciel ludique et règle du jeu synthétique Fiche synthèse : Activité des élèves : réaliser un plan pour l’animation (poste de pilotage, balisage de la zone de vol) pour assurer la sécurité des personnes) Proposer un paramétrage des drones pour améliorer la sécurité (hauteur de vol, vitesse) Rédiger un document pour expliquer les règles de sécurité à respecter Evaluer le temps de vol pour chaque prototype et le temps de chargement Proposer une organisation, en fonction du nombre de batteries pour faire voler au moins 4 drones en permanence pendant 2h00 Proposer une organisation pour réaliser l’activité en sécurité Proposer une organisation pour optimiser les temps de charge des batteries et les temps de vol Trouver des applications pour tablettes et les installer pour rendre l’animation plus ludique Rédiger une règle du jeu pour l’expliquer simplement aux participants le jour de l’animation expliquer le concept de réalité augmentée Mode d’évaluation : Evaluation du dossier technique Budget Le matériel ci-dessous est acheté une seule fois pour plusieurs années et pour l’ensemble des classes de troisième. Pendant la phase de réalisation, à chaque fin de séance, les élèves devront démonter leur assemblage et rendre le drone nu pour la classe suivante. Aucune modification ne doit être apportée au châssis du drone. Cette organisation rend l’investissement raisonnable (environ 1850€). En outre, les drones pourront être utilisés en classe de 6ème pour parler des moyens de transport. Les tablettes pourront être utilisées à tous les niveaux. Tableau 4 : Investissement – matériel acheté une seule fois Tableau 5 : Coût du consommable Conclusions Nous avons sélectionné l’AR drone comme support technique pour plusieurs raisons : il s’agit d’un produit grand public et ludique, hautement technologique et pluri-technologique, actuel et innovant, développé par des ingénieurs et chercheurs français. Nous avons développé deux problématiques simples autour de ce drone : « Quelle est sa charge utile ? » et « Peut-on augmenter son autonomie ? ». Ces problématiques ont fait l’objet de développements scientifiques et techniques. Par ailleurs, nous avons pu montrer qu’il était possible d’ajouter des équipements sur le drone pour augmenter ses fonctionnalités. Bien sûr, il faudrait réaliser des expérimentations pour confirmer ces affirmations. Nous avons donc décidé de proposer un projet pour la classe de troisième consistant à modifier ce drone sur la base d’un cahier des charges. Nous avons proposé, en exemple, plusieurs cahiers des charges tels qu’un drone qui distribuerait du matériel de premiers secours, ou encore un drone permettant de réaliser des prélèvements d’eau. Ainsi, une même classe traiterait plusieurs projets différents. La classe est divisée en groupes de 4 à 5 élèves, chaque groupe traitant un projet. Les mêmes cahiers des charges seraient soumis à chaque classe du niveau de troisième. Pour mettre les élèves en situation, nous avons crée un jeu de rôle, dans lequel chaque élève prend part à une mini-entreprise dont l’objectif est de répondre au besoin du client. A chaque trimestre, les élèves s’attribuent un rôle (responsable technique, communication, informatique, …), auquel sont associées des compétences du socle commun et qui pourront être évaluées à chaque trimestre. Nous avons divisé le projet complet en plusieurs centres d’intérêt basés sur les étapes classiques d’un projet. Ces centres d’intérêt ont ensuite été découpés en une ou plusieurs séquences, de manière à développer toutes les connaissances et capacités apparaissant dans le programme de troisième. Chaque séquence invite les élèves à investiguer ou à résoudre une ou plusieurs problématiques. Les 12 séquences ont été détaillées, une par une, dans un tableau de bord, dans lequel on retrouve la situation problème, les connaissances et compétences à valider, les objectifs de la séquence, les résultats attendus en fin de séquence, les fiches de synthèse à compléter par les élèves au long de la séquence, les activités attendues des élèves, le mode d’évaluation. Un tableau général permet de vérifier la correspondance entre les capacités et les séquences. Enfin, nous avons proposé un moyen de mettre en valeur l’enseignement de la technologie au collège ainsi que de valoriser les travaux des élèves, en demandant aux élèves d’organiser une animation à caractère ludique lors de la fête annuelle du collège. Les drones pourraient être utilisés comme objet publicitaires pendant cette animation et permettre ainsi de sponsoriser la fête. Chaque sponsor deviendrait alors un client et soumettrait un cahier des charges aux élèves, permettant ainsi de développer l’aspect jeu de rôle ainsi que les relations collège/entreprise. Le budget à investir a été calculé, il est de 1850€ pour les drones et les tablettes. Cet équipement pourra être réutilisé pendant plusieurs années. Cela me paraît être un budget raisonnable pour un collège. J’espère avoir retenu l’attention du jury avec ce dossier que j’ai souhaité aussi complet que possible. J’apporterai les compléments lors de ma présentation orale. Bibliographie Bresciani, T. (2008). Modelling, Identification and Control of a Quadrotor Helicopter. Department of Automatic Control, Lund University. Hougron, T. (2001). La conduite de projets. Dunod. Leishman, J. G. (2006). Principles of Helicopter Aerodynamics. Cambridge University Press. Paul Pounds, R. M. (2004). Towards Dynamically-Favourable Quad-Rotor Aerial Robots. Proceedings of the 2004 Australasian Conference on Robotics & Automation, Australian Robotics & Automation Association, Australian National University Canberra.