Cap rectiligne sans boussole
Est-il possible de se déplacer en ligne droite sans boussole ?
Description détaillée
À travers l'étude du robot Perseverance, l'élève étudie la notion de mouvement rectiligne. Il utilisera l'accéléromètre, le gyroscope, ou le luxmètre pour réfléchir sur le fonctionnement autonome d'un robot. Le protocole permet à l'élève de se poser de multiples questions sur le mouvement autonome, un sujet très actuel. Avec FizziQ, l'élève enregistre et compare directement sur son smartphone les mesures de la boussole (magnétomètre), du gyroscope puis du luxmètre pour chaque essai de trajectoire, et consigne ses observations dans le cahier d'expérience de l'application.
Objectifs pédagogiques
- Comprendre la définition d’un mouvement rectiligne dans un référentiel terrestre
- Tester différents capteurs pour maintenir une trajectoire rectiligne
- Observer les erreurs et dérives associées aux capteurs inertiels
- Comprendre les principes de la navigation autonome
- Relier une expérience concrète aux contraintes rencontrées en robotique spatiale
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Boussole
- Vitesse angulaire
- Luxmètre
Capteurs
- Magnétomètre
- Gyroscope
- Capteur de luminosité
Fonctionnalités FizziQ
- Cahier d'expérience — Sert à documenter les trois essais (boussole, gyroscope, luxmètre) et les conclusions sur la navigation autonome des robots martiens.
Matériel nécessaire
- Smartphone avec l'application FizziQ, permettant l'acquisition des données des capteurs (magnétomètre pour la boussole, gyroscope, luxmètre)
- Un espace extérieur dégagé pour marcher en ligne droite sur une distance d'environ 150 pas
- Cahier d'expériences FizziQ pour documenter les résultats et les conclusions
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil d'acquisition de données de capteurs comparable.
Protocole expérimental
Quel instrument de mesure pourrais-tu utiliser pour que ton téléphone suive une trajectoire rectiligne sur la Terre ?
À l'extérieur de chez toi, utilise cet instrument de mesure et enregistre un déplacement rectiligne de ton portable sur une distance d'environ 150 pas
Analyse le graphique, ton portable a-t-il bien fait un déplacement rectiligne dans le référentiel terrestre ?
La planète Mars ne possède pas de champ magnétique global : la boussole y est inutilisable. Quel autre capteur présent dans ton téléphone Perseverance pourrait-il utiliser pour se déplacer de manière rectiligne ?
Essaie cette nouvelle idée. Quels problèmes rencontres-tu ?
Si cette deuxième solution tombe en panne as-tu l'idée d'un troisième instrument qui pourrait être utilisé ?
Essaie cette solution et enregistre tes déplacements. Est-ce une bonne solution de dépannage ?
Documente toutes ces expériences dans ton cahier avec tes conclusions sur le contrôle des robots sur la planète Mars
Résultats attendus
Les enregistrements montrent que maintenir une trajectoire parfaitement rectiligne est difficile sans repères externes. Avec l’accéléromètre seul, les mesures présentent des variations dues aux mouvements du corps et aux erreurs de mesure. Le gyroscope permet de mieux détecter les rotations mais montre également une dérive progressive au cours du temps. L’utilisation du luxmètre peut améliorer l’orientation si une source lumineuse stable est disponible. Dans la plupart des cas, une légère déviation par rapport à la ligne droite est observée. Ces résultats illustrent les limites des capteurs utilisés individuellement.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi est-il difficile de marcher parfaitement en ligne droite sans repère visuel ?
- Quel capteur semble le plus efficace pour détecter un changement de direction ?
- Pourquoi les erreurs des capteurs augmentent-elles avec la durée du déplacement ?
- Comment les robots martiens compensent-ils l’absence de GPS ?
- Pourquoi plusieurs capteurs sont-ils souvent utilisés simultanément ?
Explications scientifiques
La navigation autonome sans repères externes est l'un des défis majeurs de la robotique spatiale. Sur Mars, les robots comme Perseverance ne peuvent pas compter sur un champ magnétique global (Mars n'en possède pas) ni sur un système GPS. Cette expérience simule ces contraintes en explorant les capteurs utilisables pour maintenir un cap rectiligne.
Trois approches principales peuvent être testées avec FizziQ: 1) L'accéléromètre : on pourrait penser qu'il suffit de vérifier que l'accélération mesurée perpendiculairement au déplacement reste nulle. Mais une accélération nulle ne prouve pas que l'on va tout droit : elle indique seulement que la vitesse ne change pas à cet instant, et un lent changement de direction produit des accélérations si faibles qu'elles sont noyées dans les secousses de la marche. De plus, reconstruire la position à partir de l'accélération demande une double intégration qui amplifie les erreurs de mesure et cause une dérive rapide de la trajectoire estimée. 2) Le gyroscope: en mesurant la rotation autour de l'axe vertical, on peut détecter tout écart par rapport à la ligne droite. Plus précis que l'accéléromètre pour les mouvements courts, il souffre également d'une dérive à long terme.
3) Le luxmètre ou la caméra : en l'absence de champ magnétique global, les rovers martiens peuvent utiliser la position du Soleil comme référence de direction, un peu comme un cadran solaire inversé — c'est ce que simule ici le luxmètre. Les rovers exploitent aussi leurs caméras d'une autre manière : en suivant d'une image à l'autre les détails du terrain (rochers, reliefs), ils mesurent leur propre déplacement. Cette technique, appelée odométrie visuelle, est aujourd'hui l'une des principales méthodes de navigation des rovers martiens. En pratique, les systèmes de navigation combinent plusieurs capteurs (fusion de capteurs) pour compenser les faiblesses de chacun: le gyroscope corrige la dérive de l'accéléromètre, tandis que des repères visuels recalent périodiquement la position estimée.
Cette redondance est essentielle pour assurer une navigation fiable dans des environnements hostiles où aucune aide externe n'est disponible.
Pour aller plus loin : la mallette pédagogique SuperCam – Exploration martienne du CNES, destinée aux enseignants de la 6e à la terminale, et l'article de Planet-Terre (ENS de Lyon) présentant la mission Mars 2020 et ses instruments.
Extensions possibles
- Réaliser l’expérience sur des distances plus longues et comparer les écarts observés.
- Tester le déplacement avec les yeux fermés pour accentuer les erreurs de direction.
- Comparer les trajectoires réalisées par différents élèves.
- Utiliser des repères visuels fixes pour améliorer la précision du déplacement.
- Étudier l’effet de la vitesse de marche sur la précision du mouvement rectiligne.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que la navigation autonome ?
La navigation autonome est la capacité d'un robot à déterminer lui-même sa position, son orientation et sa trajectoire, sans intervention humaine ni aide extérieure comme le GPS. Sur Mars, Perseverance ne peut compter ni sur un champ magnétique global ni sur des satellites de positionnement : il combine ses capteurs internes (centrale inertielle) et ses caméras pour estimer où il se trouve et où il va.
Comment l'accéléromètre du smartphone est-il utilisé dans cette activité ?
L'accéléromètre MEMS du smartphone mesure l'accélération selon trois axes (x, y, z). FizziQ affiche ces données en temps réel sous forme de graphiques, permettant d'enregistrer et d'analyser précisément les mouvements étudiés.
Quelles sont les principales sources d'erreur ou limites de cette expérience ?
Chaque capteur a ses limites : l'accéléromètre est perturbé par les secousses de la marche, et la double intégration nécessaire pour passer de l'accélération à la position amplifie les erreurs ; le gyroscope dérive lentement au cours du temps ; le luxmètre ne fonctionne que si une source lumineuse stable (le Soleil, une lampe fixe) est disponible et bien orientée. C'est pourquoi les trajectoires enregistrées s'écartent presque toujours un peu de la ligne droite visée.
Prêt à commencer ?
Téléchargez FizziQ et lancez cette activité avec vos élèves.