CAPET sciences industrielles de l'ingénieur troisième concours 2020, épreuve écriteSujet et rapport du jury

CAPET
CONCOURS EXTERNE
TROISIEME CONCOURS ET CAFEP CORRESPONDANT

Section : SCIENCES INDUSTRIELLES DE L'INGÉNIEUR Option : INGÉNIERIE DES CONSTRUCTIONS
Option : INGÉNIERIE ÉLECTRIQUE
Option : INGÉNIERIE INFORMATIQUE
Option : INGÉNIERIE MÉCANIQUE

ANALYSE ET EXPLOITATION PÉDAGOGIQUE D'UN SYSTEME PLURITECHNIQUE

INFORMATION AUX CANDIDATS

• • -option : Ingénierie des constructions

	Concours	Section/option	Epreuve	Matière
- option : Ingénierie électrique
	Concours	Section/option
- option : Ingénierie informatique
	Concours	Section/option
- option : Ingénierie mécanique
	Concours	Section/option

• -Concours externe du CAFEP/CAPET de l'enseignement privé :
  • -
    option : Ingénierie des constructions Concours Section/option Section/option Epreuve Matière

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  • -
    option : Ingénierie électrique Concours Section/option Section/option Epreuve Matière

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  • -
    option : Ingénierie informatique Concours Section/option Epreuve Matière

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  • -
    option : Ingénierie mécanique Concours Section/option Section/option Epreuve Matière

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• -Troisième concours externe du CAPET de l'enseignement public :
  • -option : Ingénierie des constructions
  • Concours Section/option Epreuve Matière

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  • -
    option : Ingénierie électrique Concours Section/option Epreuve Matière 1/4/1/2/E

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  • -
    option : Ingénierie informatique Concours Section/option Epreuve Matière 1/4/13/0

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  • -
    option : Ingénierie mécanique Concours Section/option Epreuve Matière 1/4/1/4 E

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    1

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SYSTÈME DE PRÉPARATION DE COMMANDE

I. Mise en situation

1.1 Le contexte général

Figure 1 : un rayonnage à hauteur d'homme

1.2 La solution Exotec

Figure 2 : la solution Exotec

1.3 La présentation de l'installation

Figure 3). Chaque robot transporte et range un bac contenant les articles dans des racks jusqu'à 10 mètres de hauteur.

Figure 3 : les robots Skypod dans leur environnement

1.4 Le robot Skypod

Figure 4 : le robot Skypod avec un bac

• -deux roues motrices et deux roues omnidirectionnelles (déplacement horizontal et accès à la station de préparation de commande) ;
• -un capteur laser (position dans son environnement) ;
• -deux bras motorisés rétractables s'agrippant aux rails des étagères (déplacement vertical) ;
• -une fourche télescopique (voir Figure 5) permettant de saisir et déposer un bac dans l'étagère (picking de bac) ;
• -une commande embarquée en dialogue avec la supervision (pilotage des mouvements du robot et réception des missions à accomplir) ;
• -une batterie (alimentation autonome en énergie).

Figure 5 : la fourche télescopique

1.5 Les problématiques du sujet

• -vérifier la possibilité d'implantation du rack de stockage dans l'entrepôt existant ;
• -assurer l'ascension du robot dans le rack ;
• -assurer le positionnement vertical du robot ;
• -choisir la batterie permettant une autonomie suffisante du robot ;
• -vérifier la stabilité du robot lors de ses déplacements au sol ;
• -vérifier que la fourche télescopique permet l'extraction des bacs.

II. Implantation du rack

Figure 6 : vues générales du rack rempli de bacs

Figure 7 : modélisation d'une étagère

• -la charge totale (bac et charge embarquée) est symétrique et uniformément répartie ;
• -seuls les efforts verticaux seront pris en compte ;
• -seuls les éléments porteurs représentés sur la Figure 7 sont pris en compte (dans un souci de clarté, les lisses intermédiaires ne sont pas représentées) ;
• -l'accélération de la pesanteur est notée g = 9, 81 m ⋅ s^(− 2);

• -les données de modélisation d'une étagère sont précisées dans le tableau cidessous.

III. Ascension du robot

Figure 8 : déplacement vertical du robot entre les étagères

• -le repère R_0(O, x→, y→, z→) est supposé galiléen ;
• -les liaisons sont considérées comme parfaites ;
• -masse totale du robot M_r = 45 kg;
• -masse d'un bac M_b = 3 kg;
• -masse maximale de la charge embarquée M_c = 30 kg;
• -poids total de l'ensemble (1) (robot + bac + charge). Sa résultante est appliquée au centre de gravité G de l'ensemble (1) ;
• -accélération de la pesanteur g = 9, 81 m ⋅ s^(− 2) et g→ = − gz→;
• -caractéristiques du pignon, module m = 3, 18 - nombre de dents Z = 24, - angle de pression α = 20^∘;
• -les quatre crémaillères sont notées (0), (0'), (0"), (0"') ;
• -rendement global de la transmission : η = 0, 8;
• -les deux bras sont identiques et symétriques ;
• -accélération à la montée a_m = 1 m ⋅ s^(− 2);
• -vitesse linéaire maximale lors de l'ascension V_m = 1 m ⋅ s^(− 1).

La loi de vitesse est la suivante :

Figure 9 : schéma structurel de la motorisation verticale

IV. Positionnement du robot sur l'axe vertical

Figure 10 : système de saisie

• -caractéristiques du pignon, module m = 3, 18 - nombre de dents Z = 24 - angle de pression α = 20^∘;
• -i - indice de l'emplacement du bac à saisir (étage à atteindre) ;
• -capteur inductif, logique positive (PNP), noyable, raccordement par câble ;
• -fréquence de rotation du pignon N = 240tr ⋅ min^(− 1);
• -la hauteur de sortie de la fourche His se trouve 10 mm en-dessous de Hi ;
• -un signal de sortie commande la marche du moteur ;
• -le sens de rotation du moteur vaut 1 pour la montée et 0 pour la descente ;
• -les différentes vitesses de déplacement, phases d'accélération et de décélération, ne seront pas prises en compte dans cette partie.

Figure 11 : schéma des positions à atteindre pour la saisie d'un bac

Figure 12 : détection de la présence d'une dent

Figure 13 : simulation du programme sous Proteus

V. Caractéristiques de la batterie pour une autonomie optimale

• -batterie Li ion de 48 V continu ;
• -taux de décharge = 80 % ;
• -consommation électrique des composants électroniques (carte de commande, capteur de position, WIFI ...) Ig = 1 A pendant la durée du trajet type ;
• -accélération de la pesanteur g = 9, 81 m ⋅ s^(− 2);
• -phases d'accélération négligées lors des déplacements du robot ;
• -frottements négligés lors de la descente.

Figure 14 : descriptif des différentes phases d'un trajet type

• - U = 3, 7 V;
• - C = 5, 2 A ⋅ h;
• - M_c = 0, 092Kg.

VI. Stabilité du robot lors des déplacements au sol

Figure 15 : robot sur ses quatre roues

Figure 16 : vue de dessous du robot

Figure 17 : schéma de cinématique 3D du support de roues

Figure 18 : schéma cinématique du support de roues

Figure 19 : répartition avec charge centrée

• -le repère R_0(O, x→, y→, z→) est supposé galiléen ;
• -les liaisons sont considérées comme parfaites ;
• -masse totale de l'ensemble (robot, bac et chargement) m = 78 kg;
• -accélération de la pesanteur g = 9, 81 m ⋅ s^(− 2) et g→ = − gz→.

A - On isole 1

B - On isole 3

C - On isole 2

VII. Déformation de la fourche

Figure 20 : principe de saisie d'un bac

Figure 21 : glissière télescopique déployée

Figure 22 : montage de la glissière de gauche

• -masse du bac chargé = 33 kg ;
• -masse propre d'une glissière (avec un demi plateau) = 1 kg ;
• -module d'Young E = 74000 MPa (alliage d'aluminium 2017A)
• -le plateau ne se déforme pas ;
• -le coulissant 1 est monté encastré sur le robot, il est donc indéformable ;
• -tous les coulissants ont une longueur L ;
• -les sections 1 et 3 de forme en U sont identiques ;
• -la section 2 est rectangulaire ;
• -la course de sortie d'un coulissant est égale à 2/3 de la longueur L ;
• -dans le cas d'une charge centrée, chaque glissière supporte 50% de la charge totale ;
• -dans le cas d'une charge non centrée, une glissière peut supporter jusqu'à 65 % de la charge totale ;
• -le plan (O, x→, z→) est plan de symétrie du système ;
• -le jeu entre deux coulissants est égal à 0,1 mm (voir Figure 22 et Figure 23).

Figure 23 : jeu entre deux coulissants (1 et 2)

Figure 24 : effort appliqué sur la glissière (cas défavorable)

VIII. Conclusion et synthèse

IX. Partie pédagogique

Préparation d'une séquence pédagogique

Quel que soit le niveau de classe pris en charge, l'élaboration d'une séquence pédagogique doit s'intégrer dans une progression des apprentissages qu'il convient de positionner dans le cycle de formation de l'élève. Au cours de cette phase de préparation, à partir de l'objectif pédagogique qu'il s'est fixé, l'enseignant structure la séquence selon les phases du diagramme ci-dessous.

Mise en œuvre d'une séquence pédagogique

• -le laboratoire de technologie est organisé en 8 îlots pédagogiques disposant chacun d'un ordinateur avec les principaux outils bureautiques et de création 3D ;
• -chaque îlot dispose d'un robot programmable avec un jeu de capteurs (capteur de ligne, capteur ultrasons, capteur infra rouge) ;
• -dans le FabLab commun aux deux laboratoires de l'établissement les outils de prototypage classiques sont disponibles (imprimante 3D, plieuse, machine d'usinage pour matériau tendre) ;
• -la séance dure 55 min - l'effectif est de 26 élèves.

Démarches pédagogiques

Documents annexes

Document annexe DA1 : diagramme des exigences partiel de la solution Exotec

Document annexe DA3 : documentation constructeur du capteur inductif

IMT 12-4
Capteur inductif
	C€ (12):

• -void setup() (configuration-préparation)
• -void loop() (exécution)

• -== (équivalent à)
• -!= (différent de)
• -< (inférieur à)
• -> (supérieur à)
• -<= (inférieur ou égal à)
• ->= (supérieur ou égal à)

• -&& (et)
• -|| (ou)
• -! (et pas)

• -// (commentaire simple ligne)
• -/* */ (commentaire multi-lignes)

• -char (variable 'caractère')
• -int (variable 'nombre entier')
• -long (variable 'nombre entier de grande taille')
• -string (variable 'chaine de caractères')
• -array (tableau de variables)
• -byte (variable 'octet')

• -HIGH (état 1)
• -LOW (état 0)
• -INPUT (configuré en entrée)
• -OUTPUT (configuré en sortie)

• -pinMode(broche, état) (configuration des broches)
• -digitalWrite(broche, état) (écrire un état sur une broche num)
• -digitalRead(broche) (lire un état sur une broche num)

• -delay(ms) (attente, en millisecondes)
• -delayMicroseconds(us) (attente, en microsecondes)

• -Serial.begin(speed) (configuration de la vitesse de communication Série)
• -Serial.available() (indique le nombre de caractères disponibles dans la zone tampon Série)
• -Serial.read() (lit les données Série)
• -Serial.print(data) (transmission des données Série)
• -Serial.println(data) (transmission des données Série suivie d'un retour à la ligne)

• -if (si...)
• -if...else (si...alors...)
• -for (pour...)
• -switch case (dans le cas où...)
• -while (pendant que ...)

attachInterrupt (interruption, fonction, mode) ;
Active la lecture d'une broche attachée à une interruption.
Paramètres
interruption : numéro de l'interruption (type int)
fonction: fonction à appeler quand l'interruption survient; la fonction doit recevoir
aucun paramètres et ne renvoie rien. Cette fonction est également appelée une
routine de service d'interruption (ou ISR).
mode : définit la façon dont l'interruption externe doit être prise en compte. Quatre
constantes ont des valeurs prédéfinies valables :

• • -LOW : pour déclenchement de l'interruption lorsque la broche est au niveau BAS
  • -CHANGE : pour déclenchement de l'interruption lorsque la broche change d'état BAS/HAUT
  • -RISING : pour déclenchement de l'interruption lorsque la broche passe de l'état BAS vers HAUT (front montant)
  • -FALLING : pour déclenchement de l'interruption lorsque la broche passe de l'état HAUT vers l'état BAS (front descendant)

const byte ledPin = 13;
const byte interruptPin = 2;
volatile byte state = LOW;
void setup() {
    pinMode(ledPin, OUTPUT);
    pinMode(interruptPin, INPUT);
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin), inter, CHANGE);
}
void loop() {
    digitalWrite(ledPin, state);
}
void inter() {
    state = !state;
}

detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin));
Désactive la lecture d'une broche attachée à une interruption

Document annexe DA5 : étude de la flexion des coulissants
Étude du coulissant 2

Flèche [ mm ]

Étude du coulissant 3

Flèche [ mm ]

Document annexe DA7 : Pratiques enseignantes

• -Avant l'enseignement : réactiver les connaissances, identifier la nature de ce qui est déjà appris ou encore fragile pour chaque élève, préparer la tâche en fournissant des clés d'accès vers ce qui suit ;
• -Pendant l'enseignement : soutenir l'apprentissage, aménager la tâche en la rendant accessible, évaluer le cheminement cognitif de chaque élève via une analyse de ses acquis et de ses erreurs ; s'arrêter pour formaliser et structurer progressivement ce qui est acquis ;
• -Après l'enseignement : exercer, revoir ce qui n'a pas été compris, vérifier l'autonomie acquise par l'élève sur les objets d'apprentissage.

Documents réponses

Tous les documents réponses sont à rendre, même non complétés.

Déplacement jusqu'à la position d'arrêt Hf en vue de la prise d'un bac

Document réponse DR2 - programme position_arret (...... zone à compléter)

// déclaration des constante et variables
const byte captind = 3; // le capteur inductif est sur la broche 3
const byte EnMotPin = 11;
const byte SensMotPin = 13;
int compteur = 0;
int etage = 0;
int hauteur = 0;
.................
// Initialisation - configuration des entrées et sorties
void setup()
{
    pinMode(captind, INPUT); // le capteur inductif est une Entrée
    pinMode(EnMotPin, OUTPUT);
    pinMode(SensMotPin, OUTPUT);
    Serial.begin(9600);
    interrupts(); // valide les interruptions
    }
// définition de la fonction inter appelée lors de l'interruption
// qui réalise le comptage des impulsions du capteur inductif
void inter()
{
    (..................
    Serial.println(compteur);
}
// fonction loop - boucle sans fin - Corps du programme
void loop()
{
    // lecture de l'étage à atteindre saisi au clavier à l'aide de l'interface écran
    while (Serial.available() > 0)
    {
        etage = Serial.parseInt();
        delay(20); //pour rester dans la boucle entre chaque caractère
    }
    // déplacement jusqu'à l'étage souhaité

} // fin du programme

Tous les documents réponses sont à rendre, même non complétés.

Tous les documents réponses sont à rendre, même non complétés.