MetaBird¶

Présentation¶

L'oiseau connecté Metabird créé par la société BionicBird est un drone pilotable par smartphone qui vole en battant des ailes.

La conception de ce drone se base sur le principe de biomimétisme. Il s’inspire et reproduit de façon réaliste le vol d’un oiseau.
Il est un concentré de technologie : ailes souples en mylar et fibre de carbone, un corps en mousse indestructible, un poids de moins de 10g, Batterie lithium-ion polymère Li-Po de 3,7V et une carte SoC miniature.
Connecté en Bluetooth, il se pilote à l’aide d’une application sur un smartphone, utilisant les accéléromètres et gyroscopes du téléphone pour le diriger.
L’absence d’hélice et ses éléments de sécurité font également de l’oiseau connecté un objet inoffensif pour ses utilisateurs.
Il permet des vols d’environ 7 minutes et se recharge en seulement 13 minutes.

Procédure de mise en marche¶

1. Activer le drone en passant le bouton de marche en mode ON. La LED devrait clignoter pendant la possibilité d’appareillage au Bluetooth.
2. Activer le Bluetooth ainsi que la localisation sur votre smartphone ou tablette puis lancer l’application Bionic Bird préinstallée sur votre appareil. La connexion avec le drone allumé devrait être automatique.
3. Sélectionner le MODE « Facile » puis faire battre les ailes du drone à l’aide du curseur et incliner le smartphone afin de modifier la tension des ailes (orientation).

A faire vous même n°1 :

• mettre en marche le drone en suivant la procédure proposée.

Extrait du cahier des charges¶

Etude de la fréquence de battement d'ailes¶

L’objectif de cette activité est de déterminer la fréquence maximale de battement des ailes du drone afin de valider les performances optimales de vol.

Performance attendue¶

L'objectif est de connaitre la fréquence maximale de battement des ailes souhaitée au cahier des charges du MetaBird.

A faire vous même n°2 :

À l’aide de l'extrait du diagramme des exigences présenté ci-dessus, relever :

• la performance attendue correspondant à la fréquence de battement des ailes

$F_\mathrm{att} = ... \;\mathrm{Hz}$

• la vitesse de rotation du moteur en pleine charge

$N_\mathrm{mot} = ... \;\mathrm{tr \cdot min^{-1}}$

Performance simulée¶

L’objectif est de paramétrer une simulation du drone MetaBird afin d’obtenir la fréquence maximale de battement des ailes.

Procédure de paramétrage¶

0. Télécharger le dossier MetaBird-SW_M3D puis décompresser cette archive sur le bureau.
1. Lancer le logiciel « SolidWorks ».
2. Activer le module Méca3D (dans le menu Outils, choisir Compléments puis cocher les deux cases).
3. Depuis SolidWorks, ouvrir le fichier MetaBird-SW_M3D.SLDASM.
4. Accéder à l’onglet Méca3D de SolidWorks.
5. Faire un clic droit sur Analyse puis sélectionner calcul mécanique.
6. Sélectionner la pivot 1 et appliquer la vitesse de rotation moteur en pleine charge.
7. Choisir une étude cinématique sur 500 positions pour une durée de 0,15 secondes
8. Lancer le calcul puis valider.

Analyse de résultats¶

1. Effectuer un clic droit sur la pièce LEVIER puis sélectionner Résultats.
2. Sélectionner Vitesse et Rotation puis cliquer sur Consulter.
3. Relever la valeur de la vitesse de rotation du LEVIER en $\mathrm{rad \cdot s^{-1}}$.

A faire vous même n°3 :

Après avoir paramétré le modèle 3D à la vitesse $N_\mathrm{mot}$ relevée précédemment, lancer la simulation afin de relever la vitesse de rotation du LEVIER en sortie du réducteur :

$\omega_\mathrm{réducteur} = ... \;\mathrm{rad \cdot s^{-1}}$

Convertir cette vitesse en $\mathrm{tr \cdot min^{-1}}$

$N_\mathrm{réducteur} = ... = ...\;\mathrm{tr \cdot min^{-1}}$

A quelle famille de mécanisme de transformation de mouvement appartient le mécanisme de propulsion des ailes du MetaBird ?

• 4 barres ;
• bielle-manivelle ;
• pignon-crémaillère ;
• manivelle-coulisse ;
• engrenage ;

...

...

Réaliser un schéma cinématique du mécanisme produisant le battement d'une aile ;

En déduire la fréquence simulée de battement des ailes

$F_\mathrm{sim} = ... = ...\;\mathrm{Hz}$

Performance mesurée¶

L’objectif est de mesurer la fréquence maximale de battement d’ailes du drone MetaBird.

Protocole expérimental¶

1. Positionner la maquette dans la boîte sombre prévue. Le drone doit être positionné dos au fond blanc de la boîte.
2. Mettre le drone en fonctionnement à pleine vitesse.
3. Allumer le stroboscope numérique (ou l'application Stroboscope Engineer sur votre smartphone).
4. Se positionner face au drone et modifier la fréquence du stroboscope afin que l’ombre de celui-ci devienne fixe.
5. Relever la fréquence du stroboscope pour laquelle l’ombre du drone est fixe.

Attention

• le stroboscope numérique du lycée affiche une valeur en R.P.M. ("Revolution Per Minute") ;
• pour un battement d’aile, l’aile passe deux fois sur une même position.

6. Donner le lien entre la fréquence de battement des ailes et la fréquence relevée sur le stroboscope.

A faire vous même n°4 :

Relever la valeur de la fréquence de battement des ailes mesurée expérimentalement lorsque le drone fonctionne à vitesse maximale.

$F_\mathrm{mes} = ... = ...\;\mathrm{Hz}$

Validation de la performance¶

A faire vous même n°5 :

Calculer les trois écarts relatifs entre les fréquences maximales de battement, attendue, simulée et mesurée :

• $\epsilon_\mathrm{1(attendue/mesurée)} = ...$
• $\epsilon_\mathrm{2(mesurée/simulée)} = ...$
• $\epsilon_\mathrm{3(attendue/simulée)} = ...$

Conclure sur les écarts en précisant les causes possibles et répondre à la problématique posée : la fréquence maximale de battement des ailes est-elle en accord avec la performance attendue afin de garantir un vol optimal du drone ?

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