Final tpe

Préface et explication
de la problématique
La problématique de ce TPE est ''Le segway, évolution ou révolution?''.
Présenté comme le moyen de transport urbain de demain, le segway est qualifié
par ses créateurs comme une véritable révolution du mode de transport. Qu'en
est-il réelement du point de vue technique? Pour répondre à cette question nous
étudierons dans le detail chaque partie technique du segway et nous les
comparerons avec ceux mis en oeuvre dans les autre moyens de transport
personel tels que la voiture, la moto ou encore le velo. Nous concluront sur
l'aspect révolutionaire ou simplement evolutionaire de chaque partie avant d'en
faire une conclusion globale.
Nous tenons également à remercier M Coenen, directeur de la section
France de la firme Segway (c) qui a accepté de se déplacer pour nous rencontrer
afin de facilité nos recherches sur le segway.
PS: nous n'etudierons que le premier model de segway, les autres etant
plus ou moins derivé de celui-ci.
Sommaire
I Présentation du segway
Historique du développement
Présentation rapide du segway
6-7
II Analise du systeme de mise en marche
Clés de contact ou pas?
Securité
8-9
Que font les autres?
Le segway, un mouvement basé sur la marche
10
Tourner en espace restreint, pari impossible?
La solution Segway
11-13
III Avancer en Segway
IV Tourner en Segway
V Mise en mouvement du segway
Le velo et son pedalier, la voiture et son moteur
Le moteur électrique
14-15
VI Chaine d'energie
Un réservoir?
16
Un dépannage a chaque panne?
17
Le segway, une révolution?
18
VII Fiabilité
VIII Conclusion
Annexes lexique
19
Annexes bibliographie
20
Le segway
Historique du dévelloppement
Le segway tire ses origines d'un projet du laboratoire d’Electronique
Industrielle de l’EPFL. Répondant au doux nom de ''Joe le pendule'', ce projet
fut initié en 1996 par une étude théorique sur la faisabilité
suivi rapidement d'une thèse et d'un processus de
dévelloppement, le robot effectua ses premiers pas le 25
janvier 2000.
Ce développement est directement inspiré du célèbre
modèle académique du pendule inversé, qui comme son nom
l’indique, est constitué d’un chariot mobile surmonté d’un
pendule inversé, librement articulé autour d’un axe
transversal. Avec la différence pour les véhicules présentés,
que le chariot et le pendule ne font qu’un, l’articulation étant
elle-même l’axe des roues.
Étant donné que ses deux roues sont parallèles, l'engin est de nature
instable car contrairement au velo qui tire son équilibre de l'effet gyroscopique
induit par ses roues colinéaires. Pour compenser cette instabilité, Joe le pendule
est artificielement stabilisé par un régulateur électronique, en agissant
directement sur les moteurs de propulsion, exerçant toujours un couple de
redressement opposé au sens de basculement.
Le 3 décembre 2001, le Segway fut officielement présenté sous le nom de
code ''Ginger'' et c'est ainsi que la conquete des villes par Segway fut déclaré par
ses créateurs.
Présentation rapide du Segway
Le segway se présente, grâce à son design novateur et son habileté à se
mouvoir en interieur comme en exterieur aussi facilement, comme le moyen de
transport qui va révolutionner la locomotion dans les ville. Nous étudierons son
fonctionnement un peu plus tard dans ce tpe, néanmoins voici quelque chiffre
qui permettent de saisir rapidement ce qu'est le segway :
Autonomie : 15 - 20 km
Vitesse maxi : 20 km/h
Puissance totale : 2x 1.5 kW
Pente franchissable sur sol adhérent : 30 degrés. (60%)
Elévation du plancher : 20 cm.
Poids à vide : 38 kg
Poids du conducteur (min, max) : 45 - 113 kg.
Prix : $4500
Quelques pieces importantes :
3 – receptacle pour les clefs
5 – Cadran de contrôle
6 – Poigné de virage
13 – Plateforme
18 – Carte électronique
19 – Plateforme inertiele
21 - Batteries
22 – Moteurs
23 – Reducteurs
25 - Pneu
Analyse du système de mise en marche
Clés de contact ou pas?
De nos jours, les moyens de locomotions personnel nécessite tous une clef
de contact physique, par exemple la voiture qui en nécessite une pour démarrer
ou pour ouvrir une portière, le vélo simplement pour détacher l'anti-vol.
Le Segway lui, à l'encontre de tous les autres, n'est pas doté d'une clef, mais
de 3! De couleurs différentes ces clefs représente le niveau de conduite de son
utilisateur en le limitant ou en débridant la machine. Ces clefs conteniennent une
puce électronique qui doit être en contact avec le support de clé situé sur le
cadran pour lui transmettre des information. Cette technologie a été créée par
Dallas semi-conductor. Les paramètres de vitesses maximale et de rotation ainsi
que le code d'identification du Segway contenu dans les puce électronique ainsi
envoyés le segway peut alors démarrer.
Voici les caractéristique de ces clef a couleurs différentes.
-la clé pour débutant(couleur noire) offre les possibilités suivantes:
-vitesse maximale : 9.6 km/h
-vitesse de rotation : lente
-la clé piéton(couleur jaune):
-vitesse maximale : 12.9 km/h
-vitesse de rotation : normale
-la clé espaces ouverts(couleur rouge):
-vitesse maximale : 20 km/h
-vitesse de rotation : rapide
Sécurité
A première vue, on pourrait se dire qu'une clef physique est plus sûre, plus
facile a mettre en oeuvre et à fabriquer. Cependant les clef physique ont une limite
en nombre et il arrive qu'une même clef puisse ouvrir une autre voiture. Deplus la
falsification de clef ou encore le remplacement des serrures est facilité.
Tous ces defauts, les clefs numériques ne les ont pas, suivant un encodage
en 64 bit, les créateurs du segway ont prévu de quoi fabriquer 6.10^18 trio de clefs
où aucune des clefs n'est identique. Un joli chiffre qui ne sera surement jamais
dépasser par le nombre de vente de Segway, où du moins pas avant que les
ingénieur de l' ''human transporter'' pense a un autre systeme.
Venons maintenant a l'aspect sécuritaire. La question à poser est :
''Est-il possible de falsifier une clef?'' Et bien oui! Mais seulement à partir d'une
clef en employant une technique très spécifique qui vise à extraire le code de la
clef et de l'implenter dans une autre clef. Seulement a partir d'un segway lui
même, il est totalement impossible de retrouver le code de la clef qui lui est
associer. En effet les clef etant codé sur 64 bits, le processeur lui, ne reconnais que
les code de 128 bits et pour se faire il réencode le code deja codé fournit par la
clef en 128 bits avant de le comparer a chacun de ses 3 code representant chaque
clef du trio.
Avancer en Segway
Que font les autre?
Tout d’abord l’ordre de translation d’une voiture est transmis grâce à
l’action que l’automobiliste effectue sur la pédale d’accélération qui envoie un
ordre au moteur ( unique pour toutes les roues , qui tournent donc à la même
vitesse) lui indiquant une certaine vitesse, enfin la vitesse de rotation ainsi
transmise par le moteur jusqu’aux roues motrices permet la translation du
véhicule.
Prenons à présent l’exemple du vélo, le cycliste en pédalant plus ou moins
vite transmet une certaine vitesse de rotation à la roue arrière par l’intermédiaire
d’un pédalier et d’une chaîne, le vélo avance.
La trottinette électrique est mise en mouvement de translation grâce à une
vitesse de rotation que le moteur électrique transmet à la roue arrière.
Le Segway, un mouvement basé sur la marche.
Comme nous vous l’avons expliqué précédemment le Segway est basé sur
un principe tout à fait nouveau…..
Le Segway s’inspire donc d’après son inventeur d’un mouvement humain : la
marche.
L’ordre de translation est transmis grâce à l’inclinaison de son utilisateur
par rapport à l’axe de gravité du Segway qui sollicite un système révolutionnaire
appelé « Balance Sensor Assembly »* composé d’un gyroscope qui permet aux
capteurs d’analyser l’angle d’inclinaison du Segway.
Ces informations sont transmises à 2 ordinateurs dont la puissance est supérieure
à celle d'un PC standard, qui utilise un logiciel de traitement de l‘information des
gyroscopes et ajuste selon l‘information la vitesse du moteur et donc du Segway.
Cette puissance est nécessaire pour accomplir très rapidement tous les calculs
extrêmement précis nécessaires au maintien de l'équilibre. Si l'un des ordinateurs
tombe en panne, l'autre prend immédiatement la relève pour arrêter le Segway en
équilibre et en sécurité.
Les moteurs actionnent chaque roue pour donner un mouvement de
translation. Quand le Segway s'incline en avant, les 2 roues tournent vers l'avant
pour l'empêcher de tomber. Et inversement si le Segway s'incline en arrière.
Tourner en Segway
Tourner en espace restreint, pari impossible?
Les moyens de transports personnels actuels utilisent des volants,
spécialement pour les voitures ou camion, ou des guidons directement lié à la
roue. Le principal defaut de ce types de transmissions vient du fait qu'il est
difficile de se mouvoir dans des espaces restreint car toutes les roues ne
participent pas à faire tourner le véhicule, mais seulement la moitié.
On remarque qu'il faut enormément d'espace à de tels engin pour effectuer des
manoeuvres comme se retourner ou encore prendre un virage en angle droit. Et
pourtant le segway lui y arrive, et c'est là que réside l'une de ses plus belle qualité!
Et avec le Segway?
Avec le segway, il n'etait pas question que l'utilisateur se penche pour
tourner car le mouvement n'aurait pas été fluide et naturel pour le corps. Les
ingénieurs du segway ont plutôt opté pour une poigné placée sur le guidon qui
gère la rotation sur le segway. Cette poigné est composée d'un capteur magnétique
placé à l'interieur de celle-ci pour éviter l'usure. Plus l'on tourne la poigné, moins
le capteur détecte de présence magnétique et moins son signal sera fort.
Ce signal est directement envoyé et traité par les cartes électroniques du
Segway qui gerent alors selon la vitesse de déplacement, la vitesse de rotation de
chaque roue indépendemment pour réaliser la rotation imposée par l'utilisateur.
Les roues ne pivotent donc jamais, seule une différence de vitesse de rotations, ou
parfois le fait de faire tourner les roues dans des sens différents permet au segway
de se déplacer dans des endroits restreint en toutes simplicité.
La vitesse maximal de rotation est géré par la couleurs des clefs de
couleurs.
Il est important de noter que le segway est le seul véhicule commercial
actuel à pouvoir se tourner sur lui même sans avoir besoin de plus de place.
Étudions maintenant le cas dans le cas le Segway tourne autour d'une de
ses roues: (on suppose que le CIR est confondu avec le point représentant la
vitesse du centre de la roue gauche par rapport au sol).
On voit bien que la roue droite avance bien plus vite que la roue gauche
qui elle est arretée. Voici un schéma qui résume la gestion de la rotation des roues
durant un virage.
Mise en mouvement du Segway
Le vélo et son pédalier, la voiture et son moteur, la trottinette et son moteur
éléctrique
De nos jours, les moyens de propulsions sont déja diverses et varié et ils
semble difficile que le segway innove dans ce domaine.
En effet la mise en mouvement du vélo n’est possible que grâce a l’action
effectué par le cycliste sur le pédalier, qui, en le faisant tourner entraïne la roue
arriere en rotation donnant ainsi de la vittesse au vélo. En pédalant plus ou moins
vite le cycliste régule sa vitesse.
Les moteurs d'une voiture qui selon un cycle tres particulier de rotation
donne à la voiture l'energie de se mouvoir en offrant un puissance très importante,
qui n'est absolument pas comparable avec celle offerte par le segway. La vitesse
de rotation est déterminé par le débit de melange air/essence entrant dans celui-ci.
Le moteur électrique de la trottinette est un simple moto-réducteur qui,
selon la tension qui est appliqué à ses bornes, tourne plus ou moins vite, regulant
ainsi la vitesse de la trottinette.
le moteur électrique
Le Segway se voulant avant tout écologique, il utilise donc l’énergie
électrique.
Les roues du Segway sont individuellement actionné par des moteurs
électrique à haute vitesse de rotation. Ils n’émettent aucun rejet et développent une
puissance maximale de 2CV chacun( 2x1500W ). Bien que fonctionnant comme
un seul ensemble mécanique, chaque moteur possède ses propres circuits
électriques et peut donc agir séparément. Ils ont été conçus par Pacific Scientific,
un fabricant de moteurs et de mécanismes électroniques pour application
médicales, rééducation physique, robotique et automatismes de précision. Leur
conception dite « brushless » supprime toute maintenance et leur assure une
grande fiabilité.
Pour freiner, le Segway inverse le couple de ses moteurs au lieu d’utiliser
un système de friction classique. Outre la grande efficacité qu’elle confère au
freinage, cette astuce permet de convertir l’énergie des mouvements du Segway en
énergie électrique qui augmente ainsi son autonomie.
Chaîne d’énergie
Un réservoir?
La voiture a besoin d’essence pour alimenter le moteur, le vélo lui
fonctionne grâce à l’énergie mécanique fournie par le cycliste, la trottinette est
alimenté par de l’électricité présente dans sa ou ses batteries.
Le Segway fonctionne lui grâce à 2 batteries situées dans le châssis. Elles
ont été crées en collaboration entre Segway inc. et Valence Technology. Il existe 2
modèles de batteries: les batteries de type NiMH(batteries standards équipées sur
les Segway ) et les batteries lithium-ion Segway(nouvelle génération de batteries
plus sécurisées et plus efficaces)qui offrent un temps de recharge moins important
et une durée de vie plus longue que le modèle standard.
Néanmoins le système lithium-ion ne sera disponible sur les Segways que
début 2006. Avant cet date l'installation de ce système sur l'appareil nécessite une
mise à jour du Segway(seulement possible actuellement en Italie). Toutefois cette
nouvelle technologie à un prix: entre 1400 euros et 1800 euros.
Comparaison des caractéristiques des batteries :
Les performances peuvent décroître aux températures extrêmes. Les performances
indiquées sont basée sur une température de 25 °C.
NiMH Saphion
220 watt heure (Wh)
Lithium-Ion
400 watt heure (Wh)
Autonomie(conduite
douce)
17 km(approx.)
38 km (approx.)
Autonomie(conduite
agressive)
13 km (approx.)
25 km (approx.)
Temps de charge
5 heures (approx.)
10 heures (approx.)
Températures
d'utilisation
0 à 50 °C
-10 à 50 °C
Nombre de chargement
Varie entre 1000 et 2000
chargement selon
l'utilisation et l'entretient.
Infini, cette technologie
n' pas de “mémoire”
Capacité de la batterie
Fiabilité
Un dépannage à chaque panne?
L'un des principaux défaut de la voiture est sa fiabilité, et même si elle
tend vers une augmentation de temps entre 2 pannes, il est frequent d'avoir des
pannes. Deplus la voiture utilise un systeme compliquer de moteurs, batteries,
bougie et autres ce qui rend un dépannage par l'utilisateur lui même quelque peu
difficile, à moins d'être mécanicien.
Qu'en est-il pour le segway? Beaucoup se représentent le matériel de
haute précision contenu dans le segway comme une machine à panne, où le
moindre petit grain de poussière bloquerait le systeme entier. Enfait c'est tout
l'inverse: Le segway a été prévu dans une optique de transport en ville, et non en
laboratoire asseptisé. Ainsi, vous pouvez arroser votre segway sans qu'il ne
soufre d'aucun mal, à moins de le noyer réelement. Il résiste à des chocs
important, comme une collision avec un mur en vitesse maximale. Les
composants du Segway sont très soigneseument emballés, les protegeant ainsi
des poussière et autres parasites.
Comme aucun appareil n'est indéfectible (Les ingénieurs de chez segway
estime qu'en moyenne, il surviendra une panne tous les 600 jours, une panne d'un
seul composant) le Segway a une autre solution, en plus d'être très fiable. Il s'agit
de la redondance. En effet tous les composants sont doublé, à l'exeception des
roues, et des composants contenus dans le guidon.
Il aurait été génant qu'au moindre petit probleme de carte électronique,
l'utilisateur soit entrainé dans une chute brutale. Dans ce cas la, à la moindre
défaillance, la deuxieme carte prend immédiatement le relai et peut faire
fonctionner le segway a elle seul. La Balance Sensor Assembly* est composé de
deux détecteurs d'inclinaisons ainsi que de 3 gyroscopes mais peut marcher aussi
bien avec 1 seul détecteur d'inclinaison et 2 gyroscopes. La redondance est
également présente dans les batteries, qui peuvent prendre en charge la totalité
du Segway si l'autre rencontre un probleme. Idem pour les moteurs, que l'on peut
théoriquement couper en deux et qui continueront à tourner tout de même. Dès
qu'une pièce est considérée comme défaillante, il est tout de suite indiqué sur le
cadran de l'utilisateur qu'il faut qu'il s'arrête le plus tôt possible pour se faire
dépanner, mais peut très bien rester des mois ainsi, jusqu'a ce que la deuxième
pièce tombe elle aussi en panne. Cette technologie est trés interressante car elle
limite les problémes de pannes soudaines vraiment trés embettantes mais elle en
importe un autre. Il faut bien se dire que toutes les pieces ont un prix et les faire
se dédoubler a pour effet de presque doubler le prix, mais c'est le prix de la
sécurité. Plusieurs personnalité ont affirmé avoir crée des segway ''moitié prix'',
mais ils ont simplement retiré l'aspect redondant de celui ci.
Conclusion
alors le Segway, une révolution?
Comme nous l'avons vu, le Segway se place comme une évolution de la
technologie deja mise en oeuvre sur certain aspect technique, comme les
batteries ou les moteurs, mais comme une véritable révolution dans d'autre,
notamment sur sa gestion de la vitesse de chaque roue ou encore le moyen
d'indiquer au segway que l'on avance. On peut donc considérer le Segway
comme une bonne ''demie-révolution'' technique et se place en tete de la
technologie de pointe en matière de transports personnel actuelement au même
rang que la voiture qui s'équipe de plus en plus.
La question que l'on est en droit de se poser est de savoir si le segway
sera ou non la révolution sociale annoncée par ses créateurs et si il arrivera a
détroner la voiture au coeurs des villes. La question ne se pose pas encore en
France où le Segway fait encore ses premiers pas avec ses quelque centaine
d'exemplaires vendus, mais aux Etats-unis, même si il reste vraiment marginal,
le segway commence petit à petit à se faire une place chez le particulier.
Une autre question que l'on pourrait se poser est celle de la mecanisation
de chaque effort, déja que l'homme moderne cherche à minimiser ses efforts, on
pourrait se dire qu'une utilisation à outrance du segway pourrait remplacer le
mouvement dont il s'inspire et l'un des derniers effort qui maintient l'homme en
forme physique : la marche.
Lexique
•
Balance Sensor Assembly :
Ce système a été conçu avec Silicon Sensing Systems, spécialiste
d’envergure mondiale en matière de systèmes de guidage et de navigation
aériens, terrestres et maritimes.Ce système représenté ci-dessus est composé
de 3 gyroscopes, 2 detecteurs d'inclinaison et de nombreux calculateurs et
capteurs.
Bibliographie
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–
http://www.segway.com
http://www.Wikipedia.fr
http://www.segwayenfrance.com
http://www.howstuffworks.com
http://ditwww.epfl.ch/publications-spip/article.php3?id_article=782
http://lyonsegway.com
M Coenen