Exercices: Robots et cartes de commande

Expliquer avec vos propres mots quelles sont les trois choses que fait un robot pour qu'on le considère comme un robot : percevoir son environnement, traiter cette information et agir sur le monde. L'appliquer à un robot aspirateur : avec quoi « perçoit »-il la pièce, qu'est-ce qu'il « décide » et que « fait »-il ?

La figure montre la chaîne de fonctionnement d'un robot mobile qui évite les obstacles, mais le maillon central est masqué.

Indiquer quel élément du robot est masqué dans la chaîne (son « cerveau ») et expliquer le rôle de chacun des trois maillons : quelles données le capteur recueille, ce que fait l'élément masqué de ces données et quel ordre reçoivent les moteurs lorsqu'un obstacle est proche.

Les capteurs sont les « sens » du robot. Associer chaque capteur à ce qu'il perçoit : (a) capteur de distance à ultrasons, (b) capteur de lumière, (c) capteur de contact ou bouton-poussoir et (d) capteur d'inclinaison, avec ces situations : le robot détecte qu'il est tombé sur le côté, remarque qu'il a heurté le mur, mesure à quelle distance se trouve l'obstacle et distingue le jour de la nuit.

Les actionneurs sont les parties du robot qui agissent sur le monde. Classer ces éléments en capteur ou actionneur : moteur, haut-parleur, capteur de température, lumières DEL, capteur de distance, vibreur de téléphone et caméra. Expliquer en une phrase la différence générale entre les uns et les autres.

La carte de commande (comme micro:bit ou Arduino) est le cerveau du robot. Expliquer avec vos mots ce qu'est une carte de commande : quelles trois choses y connecte-t-on (des capteurs, des actionneurs et le programme que nous écrivons) et pourquoi dit-on qu'elle est programmable : qui décide de ce que fait le robot, la carte ou la personne qui la programme ?

Décider lesquels de ces appareils sont des robots et lesquels n'en sont pas, en le justifiant avec la chaîne percevoir-décider-agir : (a) un robot aspirateur, (b) une voiture télécommandée, (c) un feu tricolore qui change tout seul en fonction du temps et (d) un drone qui maintient seul son altitude. Que manque-t-il à ceux qui ne sont pas des robots ?

On programme le robot par blocs : une séquence est « avancer pendant 2 secondes, tourner de 90° vers la droite, avancer pendant 2 secondes ». Décrire le chemin que le robot dessinera sur le sol en exécutant cette séquence deux fois de suite et expliquer quelle différence il y a entre une séquence et une boucle dans un programme de déplacements.

Un ordinateur ordinaire a lui aussi des entrées et des sorties (clavier, écran), mais ce n'est pas un robot. Expliquer la différence essentielle : le robot agit physiquement sur le monde (il se déplace, saisit, active des mécanismes) alors que l'ordinateur travaille surtout sur de l'information. Donner deux exemples qui illustrent cette différence.

La figure montre l'algorigramme du programme d'un robot qui évite les obstacles, mais la question du losange est masquée.

Écrire la question qui devrait figurer dans le losange pour que le robot fonctionne (ce que mesure le capteur et avec quelle valeur on le compare) et expliquer le comportement complet du robot avec cet algorigramme : ce qu'il fait quand il n'y a rien devant lui et ce qu'il fait dès qu'il détecte un obstacle.

Le programme « suivre le mur » répète indéfiniment cette logique : si le capteur de droite voit le mur loin, tourner à droite ; s'il le voit près, tourner à gauche ; sinon, aller tout droit. Expliquer quel rôle jouent la boucle « répéter indéfiniment » et les instructions conditionnelles, et décrire quel chemin suivra le robot le long d'un mur présentant un décrochement.

Le capteur à ultrasons mesure la distance à l'objet le plus proche : il émet un signal sonore et mesure le temps que met l'écho à revenir. Expliquer quelle donnée parvient au programme (un nombre : les centimètres) et écrire deux règles de décision utilisant cette donnée : une pour arrêter le robot avant qu'il ne heurte un obstacle et une autre pour qu'il n'avance que si le couloir est dégagé.

Vous voulez que le robot dessine un carré sur le sol avec un feutre. Écrire le programme en utilisant une boucle « répéter 4 fois » : quelles deux instructions se trouvent dans la boucle (avancer et tourner) et de quel angle faut-il tourner à chaque fois. Expliquer ce qui changerait dans le programme pour dessiner un triangle équilatéral au lieu d'un carré.

micro:bit et Arduino sont les deux cartes scolaires les plus utilisées. Comparer ce que vous savez ou ce que vous découvrez à leur sujet : laquelle possède déjà des lumières, des boutons et des capteurs intégrés, prête à l'emploi sans câbles, et laquelle est plus ouverte pour monter des circuits avec des composants. Choisir une carte pour votre premier robot évitant les obstacles et justifier ce choix.

Le robot suiveur de ligne fonctionne en classe mais échoue dans le couloir : le sol est différent et il y a plus de lumière. Expliquer pourquoi les robots doivent être testés et réglés à l'endroit réel où ils vont travailler (les capteurs lisent des valeurs différentes selon le sol et la lumière) et ce que signifie « étalonner » un capteur avant l'essai.

Classer ces composants d'un robot en entrées (elles apportent de l'information à la carte) ou sorties (elles reçoivent des ordres de la carte) : bouton de démarrage, capteur de ligne, moteur de la roue, voyant DEL d'état, buzzer et capteur de choc. Expliquer quel rapport a ce classement avec la chaîne percevoir-décider-agir.

Décrire le cycle complet percevoir-décider-agir d'un robot aspirateur pendant une minute de travail : quels capteurs il utilise (distance, choc, dénivelé des escaliers), quelles décisions il prend avec ces données (changer de direction, retourner à la base s'il lui reste peu de batterie) et quels actionneurs il met en marche dans chaque cas.

La figure montre, vu de dessus, un robot suiveur de ligne avec deux roues motrices indépendantes et deux capteurs infrarouges (a et b) qui distinguent la ligne sombre du sol clair.

Un groupe de la classe a programmé le robot avec cette règle : « Si le capteur a (gauche) détecte du noir, faire tourner à fond le moteur gauche pour corriger la trajectoire ; si le capteur b (droit) détecte du noir, faire tourner à fond le moteur droit ». Lors de l'essai, le robot sort de la piste vers la droite dès le premier virage à gauche.

1. Justifier pourquoi le raisonnement du groupe est faux : vers quel côté tourne réellement un robot différentiel lorsqu'on accélère seulement la roue gauche et que devrait faire chaque moteur pour tourner à gauche ?

2. Concevoir la table de commande complète des deux moteurs (moteur gauche et moteur droit : avancer, arrêter ou reculer) pour les 4 cas possibles des capteurs a et b (blanc/blanc, noir/blanc, blanc/noir, noir/noir).

3. Quelqu'un affirme : « Il est impossible qu'un robot suive une ligne avec un seul capteur ». Démontrer que cette affirmation est fausse en expliquant quelle stratégie de déplacement devrait suivre un robot muni d'un seul capteur infrarouge pour rester sur la piste.

Concevoir le programme d'un ventilateur automatique avec micro:bit : il doit allumer le ventilateur lorsque la température dépasse $28\ \text{°C}$ et l'éteindre lorsqu'elle descend sous $25\ \text{°C}$. Écrire la logique avec des boucles et des instructions conditionnelles (en mots, pas en code) et expliquer pourquoi on laisse deux seuils différents plutôt qu'un seul (que se passerait-il s'il s'allumait et s'éteignait exactement à la même valeur ?).

Le robot qui évite les obstacles heurte toujours par le côté droit. Faire le diagnostic comme une ingénieure : énumérer trois causes possibles, de la plus à la moins probable (un moteur plus lent, le capteur mal orienté, une erreur dans le programme de rotation) et décrire le test concret que vous feriez pour écarter chacune sans démonter le robot.

Une entreprise de livraison teste deux quadricoptères pendant une journée de vent en rafales de $35\ \text{km/h}$ :

• Drone A (radiocommandé) : un opérateur au sol observe le vol aux jumelles et actionne les manettes de l'émetteur pour compenser les écarts.

• Drone B (autonome) : il n'a pas de télécommande ; son microcontrôleur lit 100 fois par seconde un accéléromètre, un gyroscope, un baromètre et un récepteur GPS pour piloter les quatre moteurs de façon indépendante et rester en un point fixe.

• Prévoir ce qui arrivera à chaque drone lorsqu'une rafale soudaine de vent poussera les deux de $2\ \text{m}$ vers le côté : comparer la rapidité de réaction et la précision des deux systèmes en expliquant la cause de la différence.

• Identifier dans le drone B la chaîne de commande complète : quelles grandeurs physiques mesurent ses capteurs, quel calcul ou quel ordre génère le processeur et que font les actionneurs pour corriger l'inclinaison.

• À partir du concept de système de commande automatique en boucle fermée, par opposition à la boucle fermée par un opérateur humain (télé-opération), justifier pourquoi le drone B est strictement un robot selon la définition technologique et pourquoi il est abusif, sur le plan publicitaire, d'appeler « robot » le drone A.

Un robot mobile équipé d'un capteur à ultrasons avance en ligne droite vers un mur à une vitesse constante de $40\ \text{cm/s}$. Le capteur met $0,05\ \text{s}$ pour réaliser et traiter chaque mesure, et les moteurs ont besoin de $0,30\ \text{s}$ supplémentaires pour freiner et inverser le sens de rotation une fois que la carte a émis l'ordre.

1. Calculer la distance parcourue par le robot depuis l'instant où le capteur détecte un obstacle jusqu'à ce que le robot s'arrête complètement.

2. Dans le programme du robot, l'instruction suivante a été fixée : « si distance < $12\ \text{cm}$, alors freiner et tourner ». Prévoir, avec des données numériques, si le robot heurtera le mur ou s'il parviendra à l'éviter à temps, et calculer quel est le seuil de distance minimal sûr qui devrait être configuré.

3. Si le robot dispose de deux modes de vitesse ($15\ \text{cm/s}$ et $60\ \text{cm/s}$), expliquer pourquoi un seuil de distance fixe est inadapté et concevoir une formule ou une règle logique pour que la carte ajuste automatiquement la distance de freinage en fonction de la vitesse à laquelle il se déplace.

Un robot possède deux capteurs à la fois : un capteur d'obstacles et un capteur de ligne noire sur le sol (qui marque un précipice factice). Concevoir les priorités du programme : que doit-il commander s'il détecte à la fois un obstacle et le bord, dans quel ordre les conditions sont évaluées et que se passe-t-il si l'on change l'ordre des questions. Justifier votre hiérarchie en pensant à la sécurité du robot.

Une équipe de conception crée une prothèse robotique myoélectrique pour la main d'une personne. La prothèse comporte un capteur d'impulsions musculaires sur l'avant-bras, un microcontrôleur, des servomoteurs qui font bouger les doigts et un capteur de pression au bout de l'index.

1. Décrire la chaîne fonctionnelle complète du système lorsque l'utilisateur essaie de saisir un œuf : indiquer quel signal capte le capteur musculaire, ce que calcule la carte, ce que font les servomoteurs et quelle information essentielle le capteur de pression renvoie à la carte.

2. Prévoir ce qui se passerait si la prothèse fonctionnait en « boucle ouverte » (c'est-à-dire sans capteur de pression dans les doigts, en dépendant uniquement de la force que fait le muscle de l'avant-bras de l'utilisateur).

3. Imaginer que le capteur de pression tombe en panne à la suite d'un choc et reste bloqué en envoyant toujours une lecture de « $0\ \text{N}$ » (pression nulle). Analyser le risque que cela représente à la fois pour l'objet et pour les moteurs de la prothèse, et concevoir une mesure de sécurité (par programme ou avec un capteur complémentaire) pour éviter des dommages lorsque cette panne se produit.

« Le robot a décidé d'écraser le pot de fleurs » : analyser cette phrase toute faite entendue à la maison et expliquer pourquoi elle est trompeuse : qui a réellement décidé de son comportement, où se situaient les limites de ses capteurs et de son programme, et quelle responsabilité avons-nous, nous qui programmons des machines qui agissent dans le monde. Terminer par deux règles que tout robot fabriqué à la maison devrait respecter.

Défi du thème. Concevoir le prototype virtuel d'un robot climatiseur pour optimiser le confort thermique de votre logement à l'aide d'une carte programmable.

1. Recueil de données réelles : Consulter le site officiel de Météo-France pour relever les températures maximales enregistrées dans votre commune au cours des $3$ derniers jours et calculer leur moyenne arithmétique (par exemple, $26,4$ °C). Cette valeur sera le seuil d'activation.

2. Conception et simulation : Dans le simulateur gratuit MakeCode pour micro:bit (ou Tinkercad), planifier l'architecture du robot en identifiant ses trois parties essentielles : carte programmable, capteur (thermomètre interne) et actionneur (servomoteur simulant l'ouverture d'une grille ou message d'alerte sur la matrice de DEL).

3. Programmation : Programmer l'algorithme de contrôle à l'aide de blocs. Il doit lire la température en continu et, si elle dépasse le seuil calculé, activer l'actionneur ; dans le cas contraire, il reste au repos.

4. Rapport final : Rédiger un rapport bref ($1$ page maximum, avec LibreOffice Writer) qui comprend les données de Météo-France, la justification des composants choisis et une capture d'écran du code qui fonctionne dans le simulateur.

Seront évalués :

• L'obtention rigoureuse des données réelles de Météo-France et le calcul correct du seuil thermique.

• L'identification précise et justifiée de la carte programmable, des capteurs et des actionneurs du robot.

• Un algorithme fonctionnel et sans erreur dans le simulateur, selon les conditions données.

• La qualité technique, la clarté et l'organisation de la rédaction du rapport final.