Les lycéens en S-SI et STI2D devenus apprenants actifs grâce à l’analyse des écarts et la conception par modélisation

En tant que professeur en science et technique dans l’enseignement secondaire, mon objectif est de doter les lycéens des connaissances et des compétences dont ils auront besoin dans le cadre de leurs études supérieures. Bien que notre programme d’études au Lycée Louis Armand ait été développé à l’attention des élèves du secondaire en France, il est largement applicable aux étudiants en science et technique du monde entier. Il s’appuie sur trois principes directeurs. En premier lieu, en tenant compte du caractère multidisciplinaire de l’ingénierie aujourd’hui, nous prévoyons des cours qui demandent aux élèves d’apprendre, d’intégrer et d’appliquer des connaissances dans des domaines disparates, notamment la mécanique structurelle, l’électronique analogique et numérique, la thermodynamique et la robotique. En second lieu, nous initions les élèves aux outils logiciels qu’ils seront amenés à utiliser dans le cadre de leurs études supérieures et de leur profession. Enfin, nous transformons les élèves en apprenants actifs en les impliquant pleinement dans les projets.

Par groupes de trois à cinq élèves, les étudiants utilisent la conception par modélisation avec MATLAB^® et Simulink^® afin de modéliser, simuler et mettre en œuvre des systèmes réels reposant sur un processeur Arduino^® ou Raspberry Pi™ et du matériel de réutilisation. Parmi les projets déjà menés, citons un ballon pour thermographie aérienne, un abri de tramway neutre en énergie, un robot holonome et une station d’irrigation contrôlée à distance par une station météorologique autonome.

L’un des avantages majeurs à utiliser MATLAB et Simulink est que les élèves restent dans le même environnement logiciel pendant toutes les phases de leur projet, ce qui évite de consacrer trop de temps à l’apprentissage d’outils logiciels multiples. De plus, les élèves se rendent compte de l’importance que revêtent les mathématiques et la physique en ingénierie. Avec MATLAB et Simulink, nous pouvons nous affranchir des barrières entre ces disciplines. En outre, 90 % de nos lycéens qui choisissent d’étudier l’ingénierie ou l’informatique au niveau universitaire pourront continuer à utiliser ces mêmes outils.

Analyse des écarts avec la conception par modélisation

Par le passé, nous insistions pour que les étudiants comprennent simplement les choix effectués par les ingénieurs et les concepteurs plutôt que de les inciter à faire ces choix eux-mêmes. Les élèves étudiaient un système existant en mesurant et en observant ses propriétés physiques. Parce que cette façon de travailler était trop éloignée de celle qu’appliquent effectivement les ingénieurs pour construire de nouveaux produits, nous avons commencé à chercher des défis de conception que les élèves pourraient relever en faisant appel à des systèmes réels.

Le processus est basé sur la technique d’apprentissage de l’analyse des écarts pour les programmes STEM (science, technologie, ingénierie et mathématiques). Adoptée par les lycées français à la suite des réformes de l’enseignement secondaire de 2011, cette technique consiste à analyser les écarts entre les exigences décrivant un système, un modèle de système et le système réel (Figure 1).

Au cours de la première étape de ce processus, les élèves s’attachent à modéliser le système. Ils débutent avec les modèles système Simulink et Simscape™ créés par les enseignants. Ces modèles intègrent divers composants physiques, comme des sous-systèmes électroniques, mécaniques et pneumatiques.

Les élèves effectuent des expériences sur le système réel pour en mesurer les propriétés physiques telles que les régimes du moteur, les tensions et les forces. Ils effectuent ensuite leur première analyse des écarts en comparant les valeurs qu’ils ont mesurées aux valeurs définies dans le modèle initial. Après avoir identifié la cause première de toute différence entre le modèle et les résultats mesurés, ils affinent le modèle de manière itérative jusqu’à ce que la différence entre le modèle et le système réel se situe entre 5 % et 10 %.

Au cours de l’étape suivante, les élèves simulent le modèle et procèdent à la deuxième analyse des écarts, en comparant la performance du modèle par rapport aux spécifications régissant la conception. Les élèves analysent les résultats de la simulation à l’aide de blocs de portée Simulink et de Simulink Data Inspector, et utilisent les résultats pour déterminer quels changements ou améliorations seraient à apporter au système pour répondre aux contraintes spécifiées.

Lors de la dernière étape, les élèves développent et affinent un prototype fonctionnel au moyen de Simulink, Stateflow^®, et d’un équipement Arduino, Raspberry Pi ou équivalent. Ils déboguent et vérifient leurs conceptions en utilisant le mode externe de Simulink pour connecter leur schéma fonctionnel Simulink à l’application exécutant le modèle sur le matériel cible. Cette configuration accélère les itérations de prototypes et permet aux élèves d’effectuer une analyse des écarts finale, en comparant les performances du système aux spécifications définies.

Projet - Étude de cas : Construction d’un robot automatisé de lustrage des sols

L’an dernier, trois de nos élèves ont mené à bien un projet de fin d’année pour lequel ils ont transformé un robot tondeuse à gazon électrique en robot de lustrage des sols, utilisé pour le carrelage de la cour intérieure du lycée. Comme pour tous les projets finaux, les élèves ont utilisé la conception par modélisation et le processus d’analyse des écarts pour modéliser, simuler, mettre en œuvre et affiner leur solution.

Dans le cadre de ce projet, nous avons remplacé la carte de commande de la tondeuse par une carte Arduino Mega afin que les élèves puissent programmer à l’aide de Simulink et de Stateflow. Nous avons également réalisé un schéma du robot existant avec les caractéristiques de son moteur et de sa batterie. Enfin, nous avons donné aux élèves une liste des contraintes et des objectifs attendus, à savoir :

• Le robot doit utiliser deux batteries plomb-gel pour alimenter cinq moteurs à courant continu identiques, deux pour la propulsion et trois pour le lustrage (Figure 2).
• Il doit pouvoir lustrer une surface de 250 m2 avec une autonomie de batterie d’au moins trois heures.
• Pour rester dans les limites de la cour intérieure et éviter les obstacles, le contrôleur du robot doit traiter des informations émanant de plusieurs capteurs, notamment quatre capteurs de contact situés à l’avant et à l’arrière, une boussole de direction et des capteurs qui détectent un fil électrique enterré utilisé pour définir les limites de certaines zones, comme un bassin ou un parterre de fleurs.
• Le robot doit surveiller les capteurs de température et de charge de la batterie pour assurer un fonctionnement sûr et fiable.
• Le robot doit fonctionner à la fois de façon autonome et être directement commandé par l’intermédiaire d’une interface distante.

Encadrés par deux enseignants, les élèves ont rédigé des spécifications fonctionnelles. Ils ont ensuite modélisé le robot, y compris ses moteurs de propulsion et de lustrage ainsi que sa transmission dans Simulink et Simscape. Après avoir mesuré les caractéristiques mécaniques et électriques de la tondeuse, telles que les tensions, les courants et la vitesse linéaire, ils ont effectué une analyse des écarts en comparant le modèle avec les mesures obtenues du système réel. Sur la base de cette analyse, ils ont actualisé le modèle pour en améliorer la précision.

Ensuite, les élèves ont élaboré un modèle et un diagramme d’état du système de commande à l’aide de Simulink et Stateflow (Figure 3). Ce système de commande reçoit des entrées provenant des divers capteurs du robot et de l’interface de commande à distance et actionne les moteurs et les mécanismes de direction du robot en fonction des contraintes spécifiées. Le groupe a exécuté des simulations pour déboguer le contrôleur et s’assurer qu’il satisfait les exigences des spécifications fonctionnelles.

Grâce à l’utilisation du support package Simulink pour matériel Arduino, le groupe a téléchargé automatiquement son algorithme de commande sur le robot modifié et a réalisé des tests en conditions réelles dans la cour intérieure du lycée (Figure 4). Les élèves ont débogué le modèle de commande et en ont affiné les réglages afin d’améliorer les performances.

Pour mener à bien ces tests (opérations manuelles), les élèves ont utilisé des blocs de la bibliothèque de blocs Instrument Control Toolbox™, ce qui permet des temps de réponse très courts et un contrôle plus fluide du robot au moyen d’un joystick (Figure 5). Au final, le prototype du robot de lustrage terminé s’est comporté comme prévu et a atteint les objectifs décrits dans les spécifications (Figure 6).

Avantages d’un enseignement s’appuyant sur l’analyse des écarts et la conception par modélisation

Avant de commencer à enseigner en nous appuyant sur la technique d’analyse des écarts, nos élèves éprouvaient des difficultés à appréhender certains concepts techniques. Par exemple, il leur était difficile de comprendre ce qu’implique l’ajustement d’une boucle de régulation à action proportionnelle-intégrale (PI) parce que les systèmes avec lesquels ils travaillaient étaient déjà optimisés. Désormais, les élèves ont une appréciation approfondie de la façon dont les paramètres PI affectent la réponse du système, car ils essayent par eux-mêmes d’optimiser ces paramètres.

La conception par modélisation proposée par MATLAB et Simulink permet aux élèves de modéliser, prototyper, ajuster, observer et optimiser les systèmes dans le cadre de projets concrets. Pour avoir participé activement à chaque étape de leur projet, ils ont vraiment la notion de ce à quoi ressemble un travail d’ingénierie. Les projets ont également exposé les élèves à des activités d’ingénierie couvrant plusieurs disciplines, ce qui a permis de briser les barrières artificielles trop souvent bâties entre des domaines tels que les mathématiques et la physique.

Chaque année, nous passons en revue les projets pratiques et cherchons des moyens d’intégrer de nouvelles technologies, en tenant compte des intérêts fluctuants des élèves et des directives éducatives changeantes. Pour les cours de l’an prochain, nous prévoyons de soumettre nos élèves à d’autres défis en matière de conception de nouveaux systèmes, notamment un système qui effectue une surveillance à distance et une analyse de ponts dans des zones sismiques, un autre système qui utilise des filtres harmoniques pour analyser la pollution sonore, et enfin un troisième système, inspiré d’un rameur d’appartement, qui contribue à la réhabilitation musculaire et au suivi des progrès de patients en physiothérapie.