Sciences de l Ingenieur S 2013

8/22/2019 Sciences de l Ingenieur S 2013

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BACCALAURAT GNRAL

SRIE SCIENTIFIQUE

PREUVE DE SCIENCES DE LINGENIEUR

Session 2013

Dure de lpreuve : 4 heures

Coefficient 4,5 pour les candidats ayantchoisi un enseignement de spcialit autreque sciences de lingnieur.

Coefficient 6 pour les candidats ayantchoisi lenseignement de sciences delingnieur comme enseignement despcialit.

Aucun document autoris

Calculatrice autorise, conformment la circulaire n 99-186 du 16 novembre 1999


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Vidosurveillance duraccordement au rseau

lectrique du parcexprimental hydrolien EDF

de Paimpol-Brhat

Constitution du sujet

texte ............................................................................... pages 3 18

1. Rponse au besoin2. Flottabilit et propulsion axiale de l'engin sous-marin choisi3. Autonomie nergtique de lengin sous-marin4. Transmission de la position de lengin etstockage de linformation vido5. Conclusion sur la problmatique du sujet

documents techniques................................................. pages 19 24

documents rponses.................................................... pages 25 27

Le sujet comporte 25 questions

Les documents rponses DR1 DR3 (pages 25 27) sont rendre avec les copies.


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Parc exprimental hydrolien du site Paimpol-Brhat

Pourquoi un tel projet ?

Le projet de parc exprimental a t initi en 2004 mais na vritablement t lanc, du faitde quatre annes dtude, quen 2008.Il sagissait de se conformer aux politiques europennes et franaises de dveloppementdes nergies renouvelables. En effet, la France sest fix comme objectif de faire en sorteque les nergies renouvelables puissent couvrir, en 2020, 23 % de la consommationdnergie lectrique.Ce parc exprimental (figure 1) comportera fin 2013, quatre hydroliennes de 500 kW, soitune puissance de 2 MW. Cela correspond la consommation lectrique de 2000 foyers.Ces hydroliennes exprimentales qui exploitent lnergie cintique des courants demares seront immerges par des fonds marins dune profondeur moyenne de 30 mtres.Elles seront connectes un convertisseurimmerg permettant de redresser puis dleverla tension 10 kV. Celle-ci sera achemine vers un poste de raccordement au rseaulectrique via un cble de liaison immerg dun diamtre de 20 cm et dune longueur

approximative de 15 km. Hydrolienne 1 Hydrolienne 2

Hydrolienne 3 Hydrolienne 4

Convertisseur

Poste de raccordement

terre

Cble de liaison

sous-marin

Rseau de

distribution

Figure 1 : synoptique de linstallation du parc hydrolien

Lobjectif est de tester la faisabilit technique, conomique, environnementale etadministrative dun parc hydrolien, afin dobtenir un cot du kWh comptitif lhorizon2020.

tude du positionnement du cble de liaison et de sa surveillance ultrieure

Le cble de liaison, entre le parc hydrolien et le poste de raccordement situ sur le parking

communal de lanse de Launay au niveau de Ploubaznalec, a t positionn dans unsouci de prservation de lenvironnement.De ce fait, il a fait lobjet de techniques de poseet denfouissement diffrentes suivantles secteurs (pleine mer, estran1, littoral) et la nature des fonds (meuble, dur).

surfond dur, en pleine mer, le cble est lest au fond. On peut considrer que lecble repose sur fond rocheux sur 70 % de sa longueur totale ;surfond meuble, en pleine mer et sur lestran, il a t ensouill2 laide dun robot.

1 Partie du littoral situe entre les limites extrmes des plus hautes et des plus basses mares.2Lensouillage est un procd denfouissement dune canalisation sous-marine.


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Figure 2 :implantation du champ d'hydroliennes et du cble

Comme le projet a fait lobjetdune tude dimpact environ-nemental, il a t ncessairedadapter le trac afin de rduireau maximum son impactcologique.

titre dexemple, le trac initialdu cble a t dvi lest de llede Brhat pour viter des zonesde dbris calcaires dalgues et decoquillages.Le trac actuel est donn lafigure 2.Une inspection prventive desorganes de transport dnergielectrique sera ncessaire intervalles rguliers afin dassurer

la prennit de linstallation.

ce titre, du fait des contraintes du milieu marin (force du courant, profondeur), cesinspections par vido sous-marine seront ralises par un engin sous-marin autonome,afin de vrifier le bon maintien du cble sur le fond rocheux.Cet engin sous-marin sera mis leau, lorsque ltat de la mer le permettra, depuis unnavire de soutien qui le suivra distance et sera rcupr par ce mme navire la fin dela mission dinspection.Lengin sous-marin possdera en mmoire le positionnement du chemin de cble et suivracelui-ci en toute autonomie par tronons dau moins 3 km sur toute la longueur o il estsimplement lest au fond.La vitesse maximale relative de lengin par rapport leau sera de 2 m s-1 en fonction descontraintes relatives aux coefficients de mare et donc de la vitesse des courants marinsprsents dans la zone dtude.Cette inspection devra imprativement se faire, pour des raisons de scurit, par unemare moyenne de coefficient 45. En effet, lors de cette mare, il savre que la vitessemaximale des courants nexcde pas 1,8 nud3.Ds que linspection dun tronon est termine (environ 60 minutes), lengin sera rcuprpar le bateau de soutien, le pack batterie recharg et les donnes transfres en vuedune analyse. Cette tude aposterioripermettra de justifier une ventuelle intervention, sielle est juge ncessaire.

Ltude propose ci-aprs permet de vrifier laptitude de lengin sous-marin tudi raliser la mission dinspection vido du chemin de cble qui lui a t confie.Il sagit de vrifier que le choix du type dengin sous-marin utilis est cohrent par rapportaux objectifs de la mission.Une tude de la propulsion axiale permettra de vrifier son bon dimensionnement au vudes conditions dutilisation.Par ailleurs, une tude de lautonomie nergtique de lengin sera mene de manire vrifierquil peut mener son terme la mission qui lui a t confie.

31 nud correspond une vitesse de 1852 m h-1.


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1. Rponse au besoin

Objectifs de cette partie : analyser le besoin lorigine de la mise en uvre dun enginsous-marin pour linspection par vido du chemin de cble permettant de relier le champdhydroliennes, ainsi que les contraintes de mise en uvre dun engin sous-marin ; puis,comparerla solution retenue avec une autre solution possible.

Le site de Paimpol-Brhat t choisi par EDF pour y implanter son parc exprimentaldhydroliennes du fait de la vitesse des courants marins et du type de fond marin. En effet,il savre que les zones potentiellement intressantes pour limplantation des parcshydroliens sont situes entre la baie de Saint-Brieuc et la pointe du Cotentin.Une tude des courants marins lors de plusieurs cycles de mares (figure 3) a permis demesurer la vitesse de ceux-ci afin de quantifier leur potentiel nergtique

Q1. En utilisant les donnes fournies la figure 3, dterminerla vitesse (en -1m s )maximale

maxv et la vitesse minimale minv des courants marins sur le parcours du

cble. Comparer ces vitesses celle dune mare de coefficient 45correspondant au cahier des charges. En dduire la principale contraintedutilisation de lengin pour ce type de mission.

Afin de mener bien la mission dinspection, la surveillance du cble tant difficilementralisable par un plongeur compte tenu des contraintes, il a t fait appel un engin sous-marin.

Les engins sous-marins peuvent se classer en deux catgories : les engins relis lasurface et les engins autonomes.

Les engins relis la surface sont de deux types : d'une part les poissons Deep Tow ne possdant pas de moyen de propulsion propre (remorqus) plutt utiliss dans ledomaine de la gophysique grande profondeur et d'autre part les ROV (RemotelyOperated Vehicle) qui sont des engins tl-pilots, relis la surface par une liaison filaire

(ombilic), possdant leur propre moyen de propulsion. Les ROV embarquent un ensemblede capteurs et les donnes acquises sont transmises via la liaison filaire loprateur ensurface.

Figure 3 : vitesse du courant au fond de l'eau lors d'un cycle de mares sur le site retenu


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Lnergie lectrique ncessaire lengin est transmise depuis la surface par cette mmeliaison. Loprateur a galement la possibilit de transmettre lengin des consignespermettant de le dplacer et de lorienter selon les besoins de la mission (tl-opration).Le ROV est gnralement conu pour procder des interventions sur des structuresimmerges. La prsence de la liaison filaire et du manipulateur gnre des efforts decouplage perturbateurs dont on doit imprativement tenir compte lors des missions.

Les engins autonomes sont classs selon deux types : les UUV (Untethered UnderwaterVehicle) qui ont besoin d'un lien acoustique avec la surface pour les prises de dcision etles AUV (Autonomous Underwater Vehicles ) qui accomplissent des missions de faonentirement autonome. Il est ncessaire de minimiser la consommation d'nergie sur cetype dengin, notamment des actionneurs et des capteurs.

Figure 4 : diffrents engins sous-marins

Comparatif AUV ROV

Lintrt essentiel dun AUV parrapport un ROV est labsence de cble ombilical, ce quiautorise des rayons de giration(1) optimiss et permet ainsi un rapport temps/cotsextrmement rduit.Les principales diffrences existantes entre un AUV et un ROV peuvent tre rpertoriescomme suit :

1 Le rayon de giration est le rayon du cercle parcouru par un mobile en mouvement circulaire uniforme.

Critre AUV ROV

Vitesse leve (4 nuds)Faible (2 nuds), fonction de la

longueur du cble

ManuvrabilitPlus facilement contrlable, lie la qualit

du positionnementDifficilement contrlable carposition difficile connatre

Giration Rapide et automatiqueLente trs lente avec

supervision partir de la surface

Suivi de cap Rapide, voire instantanLimit par la manuvrabilit du

transport de surfaceQualit des donnes

transmisesDiscontinue par liaison acoustique (ncessit

de stockage des donnes)Contrle direct et continu sans

dgradation de linformation

AutonomieFonction de la capacit de stockage

dnergiePratiquement illimite


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Q2. Sachant que linspection sera ralise par un engin sous-marin, aprs avoirtudi les principales diffrences entre les deux types d'engins et les exigencesde la mission, conclure en justifiant au niveau fonctionnel le choix d un engin detype AUV.

2. Flottabilit et propulsion axiale de lengin sous-marin choisi

Objectifs de cette partie : analyserla solution retenue pour inspecter le cble et vrifierque les caractristiques des propulseurs axiaux conviennent pour assurer la mission.

Q3. En vous servant notamment des donnes du document DT1, indiquersur lediagramme FAST partiel de lengin (document rponse DR1), les diffrentesfonctions techniques manquantes.

Une vue synoptique de la chane fonctionnelle de la tche propulser axialement a tralise sur le document rponse DR2. Les constituants de la chane d'nergie sont relisentre eux par un lien depuissance (demi-flche) transportant les deux informations, efforte et flux f, dont le produit caractrise le transfert de puissance entre ces constituants.Quand on souhaite prciser les deux grandeurs prcdentes sur un lien de puissance, lanotation est la suivante :

La structure partielle de la fonction propulser axialement est reprsente ci-dessous :

nergielectrique

Moteurlectrique

accouplement Hlice

Flux hydrauliquePosition initiale

Flux hydrauliquePosition finale

Variateur pourMoteur lectrique

U(V)

I(A)

Commandevariateur

Puissancelectrique

Puissancemcanique

Puissancemcanique

Figure 5 : structure partielle de la fonction propulser axialement

Q4. Complter sur le document rponse DR2 les deux grandeurs effort et fluxcorrespondant la puissance transporte par chacun des liens de puissance. Lesunits du systme international de ces deux variables seront galementprcises. Les zones en pointills sont complter comme le montre le premierlien avec les variables Uet I.

e

f


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tude de la stabilit verticale de lengin

Lengin ne possde pas de ballast(possibilit de remplir de fluide descompartiments). Le rglage de laflottabilit de lappareil une

profondeur donne est ralis grce linsertion dune masse (lest) dans unlogement prvu cet effet (figure 6).Un dispositif de largage de cettemasse a t prvu avec sonalimentation ddie.

Figure 6 : localisation du logement du lest

Principe de flottabilit

Tout solide plong dans un fluide subit de la part de ce fluide une action mcanique

verticale fluide engin aR P , dirige du bas vers le haut et dont la norme est gale au

poids du volume de fluide occup par ce solide.Hypothse : on considre que le pointdapplication (centre de pousse) delaction mcanique P

aet le point

dapplication (centre de masse) de la

force R pesanteur fluide( ) =Pr sontconfondus.Pour la suite, on prendra

-2g =9,81 m s .

La flottabilit est dfinie comme tant la diffrence entre les normes de Pa

et de rP

(figure 7). Lorsque la flottabilit est :

positive, l'objet remonte vers la surface et Pr< P

a;

ngative, l'objet coule vers le fond et Pr> P

a;

nulle, l'objet reste une profondeur constante et Pr= P

a.

Q5. On donne, sur la figure 7, un modle simplifi de lengin compos de troisvolumes lmentaires. Par ailleurs, le volume des deux propulseurs axiaux estestim 9160 cm3. laide de ces informations dlimitant les hypothsessimplificatrices et des donnes du document technique DT2 (dimensions desvolumes lmentaires), calculer le volume de lengin.

Un logiciel de conception assiste par ordinateur donne le volume de lengin :372010 cmvolV . Pour les questions suivantes on tiendra compte de cette valeur.

Q6. valueren pourcentage et interprter lcart entre le volume calcul avec lelogiciel et celui calcul la question prcdente.

x

Figure 7 : flottabilit

Pr

zPa g


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Q7. laide de la dfinition de la flottabilit, du principe fondamental de la

dynamique, des figures 7 et 8 et du document technique DT1, dterminer lamasse du lest mlest utiliser afin dobtenir une flottabilit nulle la profondeurdfinie pour la mission (30 mtres). Conclure en indiquant si la stabilit verticaleest possible. Dcrirelintrt du dispositif de largage de cette masse.

tude de la rsistance de lengin

Aprs ltude de la flottabilit de lengin une certaine profondeur, il est intressant devrifier sa rsistance la pression lorsquil est immerg.

Pour les tubes constituant le corps delengin, un alliage daluminium a t retenu.

Le cahier des charges est le suivant :- valeur minimale du coefficient de scuritpour la contrainte supporte par le tube, 3 ;- dformation radiale relative maximale surle rayon, 0,3 % ;- bonne rsistance la corrosion ;- cot matris.

La pression due au fluide une certaine profondeursvalue avec la relation suivante :

P = g h

P: pression (Pa) ; h : profondeur (m) ; : masse volumique de leau (kgm-3).

Q8. Estimerla pression que subit lengin la profondeur maximale laquelle il peutintervenir. Prciserla nature de la sollicitation quil subit.

Figure 9 : tube principal

Sous leffet de la pression, la masse volumique de

leau de mer augmente en fonction de la profondeur.

Figure 8 :volution de la masse volumique de leau de meren fonction de la profondeur dimmersion

Sous leffet de la pression et de la salinit, la massevolumique de leau de mer augmente en fonction dela profondeur.

Figure 8 : volution de la masse volumique de leau de meren fonction de la profondeur dimmersion


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Une simulation numrique at effectue sur le tube

principal en tenant compte dela pression dtermine laquestion prcdente. Ceci pourtrois matriaux diffrents.

Le tableau ci-contre donnecertaines caractristiques deces matriaux.

Des rsultats de cette simulation sont prsents dans le tableau suivant ainsi que sur lafigure 10.

Les donnes gomtriquesdu tube principal sont :

diamtre d= 240 mm ;longueurL = 420 mm ;paisseure = 2 mm.

Figure 10 : rsultat de simulation, pour un alliage daluminium,

donnant le dplacement radial en mm du tube principal encastrdes deux cts.

Acierinoxydable

Alliagedaluminium

Matireplastique

massevolumique

(kg

m-3

)

7860 2705 1410

Rersistancelastique du

matriau(MPa)

292 130 63

prix de latonne :

coefficient parrapport lalliage

aluminium

1,7 1 0,8

Acierinoxydable

Alliagedaluminium

Matireplastique

Contraintemaximale obtenuepar la simulation : (MPa)

41 36,7 38,4

Dplacementmaximal obtenu par

la simulation : r(mm)

1,33 10-2 9,35 10-1

Zone decouleur rouge

Zone decouleur jaune

Zone decouleur verte

Zone decouleur bleue


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Q9. Sur le document rponse DR3 , donner, laide de la figure 10, le dplacementradial maxi pour un tube en alliage daluminium, puis complter le tableaufourni. Indiquer si le choix du matriau impos est pertinent par rapport auxcritres noncs dans le cahier des charges.

tude du dispositif de la propulsion axiale de lengin

prsent, il faut vrifier le dimensionnement de la propulsion axiale.

Un dispositif exprimental (figure 11) de mesure des efforts subis par lengin a t utilis.Dans un bassin, lengin a t maintenu immobile ( une profondeur de 1 m) dans un

courant de vitesse V fluide/engin( ). Le courant est suppos constant et non-perturb.

Figure 11 : principe exprimental de la mesure des efforts subit par lengin immobilis dans uncourant

Le dispositif de mesure fait lacquisition au point O des valeurs des efforts que lengin

subit. Le rsultat de ces mesures est donn ci-dessous pour une vitesse de courant deV

-1fluide/engin 0,507 m s :

T(fluide engin) =

O

-6,62 0

0 7,2

-0,117 0

exprim dans la base x,y,z( )

units utilises : N et Nm

Par la suite, la force de traine (effort ncessaire pour vaincre la rsistance de leau une

certaine vitesse) sera note tF . Cest cette traine que doit vaincre leffort propulsif axial

(ou force de pousse axiale) de lengin obtenu par ses deux propulseurs axiaux.

Q10. Interprter les composantes de ce torseur. Donner la norme de la force detraine tF pour dplacer lengin suppos en translation rectiligne uniforme la

vitesse relative V -1engin/fluide 0,507 m s .

Par la suite on prendra une force de traine tF =6,6 N pour faire avancer lengin avec la

vitesse relative -1V engin/fluide =0,507 m s .

V fluide/engin( )

courant

Point O

z

x


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Un modle de calcul utilis en mcanique des fluides donne la force de trainet

F :

2

x

1C

2t

F S V

- masse volumique de leau (kg m-3) ;- V vitesse du fluide (ms-1) ;- S surface de rfrence (surface projete en m2),

;

- Cx coefficient de traine dpendant de la forme delengin.

Q11. En fonction des donnes prcdentes, et de la figure 8, calculerle coefficientde traine Cx. Comparerce dernier avec celui qui est prcis dans le tableau dudocument DT1.

Pour la suite on prendra le coefficient de traine annonc dans le tableau du documentDT1.

Q12. Calculer la force de traine pour la vitesse maximale annonce pour lamission. Indiquer sur quelles grandeurs on pourrait agir pour minimiser ceteffort.

Pour la suite, la force de traine sera prise gale 100 N pour une vitesse relative delengin en mouvement de translation rectiligne uniforme par rapport leau de

-1V engin/fluide =2 m s .

Un essai en bassin, sans courant, a t ralis pour valuer la force de pousse axialemaximale que peut produire lengin grce ses deux propulseurs axiaux. La mesure(figure 13) est ralise grce un dynamomtre positionn lextrieur du bassin.

Q13. Comparer la force de traine obtenue par le calcul et la force de pousseaxiale obtenue par lessai dcrit ci-dessus. valueret discuterde lcart entreces deux valeurs.

Figure 12 : surface de rfrence, S

Rsultat de la mesure de la force de

pousse axiale : 152 Np axialeF

Figure 13 : mesure de la force de pousse axialemaximale
http://fr.wikipedia.org/wiki/Masse_volumiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Masse_volumique


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La figure suivante (figure 14) propose une modlisation de leffort obtenu par lespropulseurs axiaux, ces derniers sont inclins par rapport laxe longitudinal delengindun angle : 11 .

Figure 14 : modlisation de leffort

Q14. Les propulseurs axiaux sont inclins par rapport laxe de lengin afin de limiter

les perturbations. Dterminer la force de pousse (dans laxe de lengin) PF

dun propulseur. En consultant la documentation technique du constructeur(DT3), valuer et commenter lcart entre cette force de pousse et celle

annonce par le constructeur.Ayant valid le choix des propulseurs axiaux et afin de prparer ltude dudimensionnement des batteries (partie 3 du sujet) nous voulons connatre la puissancedveloppe par lengin.En ngligeant les effets dinertie, compte tenu des faibles masses en jeu et des variationsde mouvements peu prononces, dans les conditions normales de la mission de lengin,

on a galit entre la force de pousse axiale et la force de traine : p axiale tF F.

Q15. Calculer la puissance mcanique dveloppe par lengin dans les conditions

normales de sa mission, pour laquelle

-1

engin/fluideV = 2m s .

3. Autonomie nergtique de lengin sous-marin

Objectifs de cette partie : analyser l'autonomie nergtique de lengin sous-marin enregard de la mission pour laquelle il a t dsign. Il s'agit galement de vrifier ledimensionnement correct de la solution technique adopte pour alimenter lengin ennergie pour les performances exiges.

Des mesures relatives la vitesse de l'hlice et la puissance lectrique fournie lachane propulsive ont t ralises lors des essais de l'engin pour une vitesse horizontalede 2 m s-1. Le relev de la puissance lectrique absorbe est fourni sur le documenttechnique DT4.


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Le rendementmoteur des moteurs axiaux est de 83 % (donnes constructeur) et celui de la

chane lectronique de puissancelec _pui est estim 60 %.

Q16. Calculer le rendement global global de la chane propulsive (entre la sortie

batterie et l'arbre du moteur) partir des indications prcdentes. Relever lavaleur moyenne P

absde la puissance lectrique en rgime permanent fournie aux

deux propulseurs axiaux (courbe de puissance lectrique document techniqueDT4). En dduire alors la puissance mcanique P

mecancessaire pour une

vitesse de 2 m s-1. Comparer cette valeur celle calcule en fin de partie 2 dusujet.

Une mesure de la puissance maximale_ma x e nP

consomme par l'lectronique embarque

(hors systme de propulsion) a donn une valeur de 55 W.

Q17. En tenant compte de la puissance Pmax_en , ainsi que de la puissance lectrique fournir aux propulseurs axiaux, donner la valeur numrique de la puissanceinstantane batP dlivre par la batterie lors de la phase d'inspection de l'engin

2 m s-1.

Rappelons que le cahier des charges stipule que l'inspection doit permettre de couvrir unedistance d'environ 3 km de chemin de cble pendant une dure de 60 minutes unevitesse maximale de 2 m s-1. Le poids inhrent au pack batterie ne doit pas excder 7 kg.

Le pack batterie de l'AUV est constitu de 18 cellules LifePO4 de type LFC010Ah 9S2P.L'appellation 9S2P signifie que le pack est constitu de deux branches en paralllede 9 cellules en srie.

Les caractristiques techniques de chaque cellule de type LifePO4 sont les suivantes :LFC010Ah

CapacitNominale 10000 mA h

Minimale 9500 mA h

Tension nominale 3,2 V

Tension de fin de dcharge 2,5 V

Tension de fin de charge 3,85 V

Impdance interne 9 m

Masse 305 g

Dimension dune cellulehauteur (h) 110,0 0,5 mm

diamtre (d) 42,0 0,3 mm

La capacit d'une batterie (quantit dlectricit) peut tre calcule partir de la relationsuivante :

bat utilisationbatt

batterie dcharge

P tQU t


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avec

dcharget : 0,8 (taux de dcharge de 80 %) ;

utilisationt : dure de la mission (en heure) ;

batP = 460 W (valeur retenue) ;

batterieU

: tension nominale, en volt, dlivre par le pack batterie en tenant compte du

nombre de cellules.

On rappelle que les courants (donc les capacits) sadditionnent en drivation, et que lestensions sadditionnent en srie.

Q18. partir des donnes prcdentes, du document technique DT5 et de la formuleci-dessus, calculer la capacit

battQ de la batterie embarque. Vrifier que la

capacit du pack batterie choisi est en cohrence avec la capacit calculeprcdemment. Calculer la valeur du courant de dcharge global de la batterie

decI en fonction des besoins de la mission, puis donner la dure de

fonctionnement partir de cette valeur. Vrifierque cette dure est compatible

avec le cahier des charges. Vrifier que le poids total de ce pack respecte lecahier des charges.

Il est tout de mme ncessaire de s'assurer de faon thorique que la tension minimale defin de dcharge de la batterie ne soit pas dpasse lors de la fin de la missiond'inspection. Pour cela, nous avons modlis le pack batterie en introduisant les donnesconstructeur et en supposant que le courant de dcharge soit celui de la questionprcdente.

Q19. Dterminer partir des donnes du constructeur LifePO4 la valeur limite de latension U

limitede fin de dcharge du pack batterie en tenant compte du nombre

d'lments en srie. Dterminer partir de la courbe simule de la dcharge(figure 15) le temps t

limmis par le systme pour atteindre cette valeur. Vrifier

que cela est bien conforme au cahier des charges.

Figure 15 : caractristique de dcharge


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Afin d'viter d'atteindre cette tension limite en fonctionnement, les informations batteries(courant et tension) sont traites par l'unit centrale. Seule l'information tension fait l'objetde ltude. Au niveau du fonctionnement, nous pouvons considrer que les propulseursaxiaux sont pilots la consigne de vitesse prvue par la mission si la tension batterie estsuprieure ou gale 27 V. Dans le cas inverse, si la tension est comprise entre 24 V et27 V, la mission continue mais les propulseurs horizontaux sont pilots mi-vitesse. Si la tension est infrieure 24 V, les propulseurs sont stopps et un largagedu lest est effectu, ce qui permet lengin de remonter la surface afin d'tre rcupr.

Q20. La courbe constructeur de dcharge est donne figure 16. Dterminerl'autonomie maximale de l'engin si on considre que la tension minimale de labatterie prise en compte pour l'arrt de la mission est de 24 V.Dterminerl'autonomie maximale partir de la courbe du modle (figure 15) puiscomparerles deux rsultats de manire valider ou non le modle.

Figure 16 : courbe de dcharge constructeur

Q21. Conclure cette partie en justifiant la cohrence du choix de la batterie enfonction des exigences du cahier des charges et de la technologie de la batterie(voir le document technique DT5).


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4. Transmission de la position de lengin et stockage de linformation vido

Objectifs de cette partie : analyserles contraintes de transmission de la position de l'enginsous-marin et du stockage de l'information vido. Il s'agit galement de vrifier lacohrence des techniques utilises lors de la mission d'inspection.

Le contrle du positionnement de l'engin est ralis l'aide d'une centrale inertielle detype XSENS MTx-28 A53 G25 technologie MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems)donnant des informations de position l'aide de 9 capteurs : 3 acclromtres(acclration linaire), 3 gyromtres (vitesse angulaire), 3 magntomtres (intensit duchamp magntique terrestre)) rpartis sur les trois axes d'un tridre de mesure 3D.

Figure 17 : tridre de mesure et tridre de positionnement absolu tout moment, le systme est capable de comparer son positionnement par rapport autrac du chemin de cble stock dans l'unit centrale. Les diffrentes informations enprovenance des capteurs sont mesures par rapport au tridre relatif la plateforme surlaquelle repose le dispositif (voir figure 17).

Pour utiliser les informations, il est ncessaire de les convertir dans un tridre derfrence ; il faut donc effectuer un changement de repre, ce que ralise la centrale MTx-28 A53 G25.

La sortie des donnes se fait sous forme dun tableau comportant 3 paramtres pourl'acclration, 3 paramtres pour la giration et 3 paramtres pour l'intensit du champ

magntique terrestre. Les donnes du tableau sont transmises via une liaison de typesrie asynchrone la carte unit centrale qui calcule alors la position de l'AUV. Une tramede donnes est transmise intervalles rguliers au bateau suiveur pour vrification de laposition et du bon fonctionnement de la centrale inertielle.

La configuration choisie par l'utilisateur est une sortie calibre (de type appel matricede rotation - voir DT6 -) avec horodatage des donnes (Time Stamp).

Q22. En se rfrant la documentation de la centrale XSENS (document techniqueDT6), donner les valeurs hexadcimales des champs PRE, BID, MID. Calculerle nombre doctets ncessaire la transmission des informat ions des 9 capteurs. partir de ce nombre, et en considrant lajout de loctet TS, donner, en

hexadcimal, la valeur de LEN. Calculer alors le nombre d'octets (byte, enanglais) Noctets ncessaire la transmission de ce message.


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Une trame de donnes, via un modem acoustique, est transmise tous les 250 mtres aubateau suiveur pour vrification de la position et du bon fonctionnement de la centraleinertielle. La liaison modem acoustique/bateau suiveur possde les caractristiquessuivantes :

Rglages Valeurs

Vitesse de transmission (bit/s ou bps) 2400Format des donnes (bit) 8

Bit de parit sans

Bits de stop 2

Contrle de flux sans

Figure 18 : format de la trame de la liaison srie asynchrone

Q23. En se rfrant au nombre d'octets dtermin la question prcdente, auxcaractristiques de vitesse

transv du modem acoustique (tableau de

caractristiques relatif au format d'une liaison srie figure 18), en considrant quela clrit du son

sonc dans l'eau est de 1500 m s-1, estimer la dure

transt de la

transmission d'une trame de donnes de positionnement vers le bateau suiveurs'il est situ une distance dgale 500 m.

Q24. En dduire le nombre de trames pouvant tre transmises par seconde.Justifier le fait que le contrle de positionnement ne peut se faire qu' partir del'unit centrale embarque dans l'engin sous-marin.

5. Conclusion sur la problmatique du sujet

Objectif de cette partie : proposerune synthse du travail ralis.

Q25. Analyser l'aptitude de l'engin sous-marin raliser la mission qui lui a tconfie. Exploiterles rsultats obtenus dans les parties prcdentes pour validerou non son adaptation la mission d'inspection vido.


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Document technique DT1 : caractristiques oprationnelles de l'engin sous-marin

Masse (kg) 65 sans le lest

Masse du lest maxi (kg) 10

Longueur (m) 1,76Diamtre (m) 0,24

Vitesse maximale relative de l'enginpar rapport l'eau (m s-1)

2

Batterie Pack LifePO4

Profondeur maximale (m) 200

Profondeur de travail (m) 30

tat de la mer Mer peu agite (dploiement, rcupration)

Donnes embarques Position gographique du chemin de cble

Distance maximale de la plate-forme pour communication (m)

500

Lancement et rcupration Bateau Unit de Liaison

Propulsion 3 propulseurs radiaux, 2 propulseurs axiaux

Coefficient de traine Cx= 0,4

Dtection et visualisation Sonar + camra LCD

Mode de fonctionnement Autonome

Stockage des donnes Carte SD

propulseurs axiaux pack batterie pinger de positionnement modem acoustique carte unit centrale sonar, propulseurs radiaux puits du lest camra + spots leds


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Document technique DT2 : description gomtrique de lengin sous-marin


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Document technique DT3 : propulseurs utiliss

Extrait documentation constructeur :

Modle520

Pousse avant : 102 N

Pousse inverse :58 N

Poids danslair: 17,7 N

Poids dansleau :13,7 N

Alimentationpossible :

24 330 Vdc

Modle

540

Pousse avant : 98 N

Pousse inverse : 98 N


Poids dansleau :13,7 N

Alimentation

possible :24 330 Vdc

Modle280

Pousse avant : 53 N

Pousse inverse :53 N


Poids dansleau :

7,9 N

Alimentationpossible :

24 330 Vdc

Propulseur radial arrire : modle 540

Propulseurs axiaux : modle 520Propulseurs radiaux avant : modle 280


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Document technique DT4 : courbe de mesure 2 m s-1

Courbe de puissance lectrique absorbe labore partir de mesures


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Document technique DT5 : caractristiques des batteries

Les batteries LifePO4 (Lithium ferPhOsphate) font partie des nouvelles gnrations debatteries.

Le matriau classique de l'lectrode positive d'une batterie lithium-ion base d'oxyde de

cobalt est remplac par un phosphate de mtal (phosphate de fer). Cela procure desperformances leves, une bonne tenue en cycle charge/dcharge, une bonne scuritintrinsque et un cot rduit du matriau. Les phosphates prsentent une excellentestabilit lors des sollicitations lectriques importantes et lors des lvations detemprature (stable jusqu' 350 C). L'nergie massique est de 120 140 Wh/kg, comparer aux batteries au plomb (30 50 Wh/kg) et la densit d'nergie est trsimportante (entre 220 et 330 Wh/L), ce qui permet de rduire les dimensions deslments.

Tableau comparatif des caractristiques techniques des accumulateurs :

Plomb Ni/Cd Ni/MH LifePO4 Li-ion LiPOnergie massique(Wh/kg)

30-50 15-80 60-110 120-140 100-180 150-190

Densit d'nergie(Wh/L)

75-120 80-150 220-330 190-220 220-330 220-330

Puissance en pointe(W/kg)

Jusqu'700

Jusqu' 900 Jusqu' 800Jusqu'

1500Jusqu'

250

Nombre de cycles(charge/dcharge)

400-600 2000 1500 > 2000 500-1000 200-300

Autodcharge 5 % 20 % 30 % 5 % 10 % 10 %

Tension nominaled'un lment (V)

2 1,2 1,2 3,2 3,6 3,7

AvantagesFaiblecot

FiabilitPerformances froid

Trs bonnedensitd'nergie

Trs bonnedensitd'nergieScuritCot

Excellentenergie etpuissance

Batteriesminces

Inconvnients

FaiblenergieExtinctionsubite

Bassenergietoxicit

Cot desmatriauxComportemententemprature

Charge bassetemprature

Scuritdes groslmentsCot

ScuritCot


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Document technique DT6 : centrale inertielle XSENS MTx-28 A53 G25

Structure d'un message de donnes :

Les messages de donnes standards peuvent contenir de 0 254 octets (bytes) dedonnes. Les champs composant le message sont les suivants :

PRE BID MID LEN DATA CS

Champ Taille (en octets) Description

PRE 1 Prambule de valeur 0xFA4 (PREamble)

BID 1 Identificateur de bus de valeur 0xFF (Bus IDentifier)

MID 1 Identification du type de message ( dfinir) (Message IDentifier)

LEN 1 Nombre d'octets des donnes ( dfinir) (LENght of data)

DATA 0 - 254 Octets de donnes

CS 1 Vrification du message (CheckSum)

Format des donnes de sortie : l'octet TS (Time Stamp) est optionnel.

Type desortie

ValeurMID

Nombre

d'octetsformat

Quaternion 0x32 16 + (1)

Euler 0x32 12 + (1)

Matricerotation

0x32 36 + (1)

Chaque champ est cod sur 4 octets.

4 0xFA est l'criture hexadcimale de la valeur dcimale 250


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Document rponse DR1

Question Q3.

FT11 : dplacerlengin

FT111 : assurer lesdplacements axiaux

FT1111 : convertirlnergie lectrique en

nergie mcaniquePropulseur axial

FT1112 : agir surlangle dincidence

FT1121 : convertirlnergie lectrique en

nergie mcanique

Drive latrale

Propulseur radialFT112 : assurer lesdplacementsradiaux

FT121:

FT122 : distribuer lnergie

FT 12 : alimenter ennergie Pack batterie

Unit de gestion

FT13 : acqurir laposition absolue delengin

Gps

FT141 :

FT142 :

FT14 : analyser lazone explorer

Sonar

Camra LCD

FT15 : grer lefonctionnement Carte unit centrale

FT161 : acqurir lacclration,giration, direction

FT162 : acqurir la profondeur

FT16 : positionnerlengin

Centrale inertielle

Capteur de pression

FT17 :

Modem acoustique

FP1

FT161 : acqurirlacclration, la giration et ladirection


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Document rponse DR2

Question Q4.

nergielectrique

Moteurlectrique

accouplement Hlice

Flux hydrauliquePosition initiale

Flux hydrauliquePosition finale

Variateur pourMoteur lectrique

Carte modemacoustique

Carteunit centrale

Carte GPS

Acclromtre

Carte surveillancebatterie

Capteursdivers

oprateur

Un lien de puissance vhicule deux informations dont le produit est une puissance ; exemple Uet Idans le domaine lectriqueUn lien dinformation vhicule une seule information; exemple Udans le domaine lectrique

U(V)

I(A)

Satellites


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Document rponse DR3

Question Q9.

.

Complter le tableau suivant en qualifiant les critres pour les trois matriaux avec lesapprciations suivantes :

A : satisfaisant

B : peu satisfaisant

C : non-respect du cahier des charges

Acier inoxydable Alliage daluminium Matire plastique, massevolumique dumatriau (kg m-3)

B

s, coefficient de

scurit

prix, par rapport lalliage aluminium

,

dformation

corrosion

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