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Est-il possible de ses déplacer en línea recta sans boussole ?

Perseverance en Marte

Perseverance en Marte

Est-il possible de ses déplacer en línea recta sans boussole ?

Le 18 février 2021, le robot Perseverance a atterri sur la planète Mars afin d’explorer sa surface et rechercher des traces de vie ancienne. Contrairement aux véhicules terrestres, ce rover ne peut pas utiliser de GPS pour se repérer. De plus, Mars ne possède pas de campo magnético global exploitable comme celui de la Terre. Pour se déplacer en línea recta, Perseverance doit donc utiliser des capteurs internes et des repères visuels. Cette situation constitue un excellent exemple de navigation autonome dans un environnement inconnu. Dans esta actividad, l’élève se place dans la situation d’un robot martien et tente de se déplacer en línea recta en utilisant uniquement les capteurs d’un smartphone. L’objectif est de comprendre les difficultés liées au mouvement rectiligne et aux erreurs accumulées par les capteurs.

Visão geral da atividade:

El alumno explora différentes méthodes pour se déplacer en línea recta en utilisant uniquement les capteurs disponibles dans un smartphone, en utilisant l'acelerómetro de FizziQ. Actividad adaptada al colegio (Cycle 4).

FizziQ

Autor:

Duração (minutos):

20-40 minutos

O que os alunos farão:

'- 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

Conceitos científicos:

'- Mouvement rectiligne
- Référentiel terrestre
- Navigation autonome
- Systèmes inertiels
- Dérive des capteurs
- Accélération linéaire
- Rotation et orientation
- Navigation visuelle

Sensores:

'- Acelerómetro
- Giroscopio
- Luxómetro

Materiais necessários:

Smartphone con la aplicación FizziQ (ou une application équivalente comme phyphox permettant l'acquisition des données des capteurs d'un smartphone)
- Un espace extérieur dégagé pour marcher en línea recta; Cuaderno de experiencias FizziQ

Procedimento experimental:

1. Le robot Perseverance, qui vient d'atterrir sobre Mars, a besoin de pouvoir suivre une trajectoire rectiligne de façon autonome y sans GPS

2. Un mouvement rectiligne es el movimiento de un corps ponctuel se déplaçant en línea recta en un référentiel donné

3. ¿Qué instrument de mide pourrais-tu utiliser que ton téléphone suive une trajectoire rectiligne sobre la Terre ?

4. À l'extérieur de chez toi, utilise cet instrument de mide y registra un déplacement rectiligne de ton portable sobre une distance d'environ 150 pas

5. Analiza el gráfico, ton portable a-t-il bien fait un déplacement rectiligne en le référentiel terrestre ?

6. La planète Mars ne possède pas de campo magnético. ¿Qué autre capteur présent en ton téléphone Opportunity pourrait-il utiliser para se déplacer de manière rectiligne ?

7. Essaie cette nouvelle idée. Quels problèmes rencontres-tu ?

8. Si cette deuxième solution tombe en panne as-tu l'idée de un troisième instrument qui pourrait être utilisé ?

9. Essaie cette solution y registra tes déplacements. Est-ce une bonne solution de dépannage ?

10. Documente toutes ces experimentos en tu cuaderno con tes conclusions sobre le contrôle des robots sobre la planète Mars

Resultados esperados:

Les enregistrements montrent que maintenir une trajectoire parfaitement rectiligne est difficile sans repères externes. Avec l’acelerómetro seul, les mesures présentent des variations dues aux mouvements du corps et aux erreurs de mesure. Le giroscopio permet de mieux détecter les rotations mais montre également une dérive progressive au cours du temps. L’utilisation du luxómetro peut améliorer l’orientation si une source lumineuse stable est disponible. Dans la plupart des cas, une légère déviation con respecto a la ligne droite est observée. Ces résultats illustrent les limites des capteurs utilisés individuellement.

Questões científicas:

'- Pourquoi est-il difficile de marcher parfaitement en línea recta 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 ?

Explicações científicas:

La navigation autonome sans repères externes es l'un des défis majeurs de la robotique spatiale. Sur Mars, les robots comme Perseverance ne peuvent pas compter sobre un campo magnético global (Mars n'en possède pas) ni sobre un système GPS. Este experimento simule ces contraintes en explorant los sensores utilisables para maintenir un cap rectiligne. Trois approches principales peuvent être testées con FizziQ: 1) L'accéléromètre: en théorie, maintenir une accélération nulle perpendiculairement à la direction de déplacement devrait garantir une ligne droite. En pratique, la double intégration nécessaire para passer de la aceleración à la position amplifie les erreurs, causant une dérive significative. 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 para les mouvements courts, il souffre igualmente de una dérive à long terme. 3) Le luxmètre o la caméra: en l'absence de campo magnético, les rovers martiens utilisent souvent la position du Soleil o des étoiles comme référence directionnelle, complétée par des repères visuels. Cette navigation "céleste" es particulièrement fiable mais dépend des conditions d'éclairage. Ces méthodes sont complémentaires y généralement combinées en les systèmes de navigation martiens. Perseverance utilise une navigation visuelle avancée appelée "Visual Odometry" qui compara des images successives para déterminer son déplacement, complétée par une centrale inertielle (accéléromètre y gyroscope). La difficulté principale reste la dérive cumulative: même une erreur minime de 1° peut entraîner un écart de 2,6 mètres après 150 pas (environ 100 mètres). Este experimento illustre pourquoi les missions martiennes progressent relativement lentement: Perseverance ne parcourt que 100-200 mètres par jour martien para maintenir sa précision navigationnelle.

Atividades de extensão:

'- 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.

Perguntas frequentes:

Q: ¿Qué es la navigation autonome ?
R: 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 campo magnético global (Mars n'en possède pas) ni sur un système GPS.

Q: ¿Cómo l'acelerómetro du smartphone est-il utilisé dans esta actividad ?
R: L'acelerómetro MEMS du smartphone mesure l'accélération selon trois axes (x, y, z). FizziQ affiche ces données en tiempo real sous forme de graphiques, permettant d'enregistrer et d'analyser précisément les mouvements étudiés.

Q: ¿Quéles sont les principales fuentes de error ou limites de este experimento ?
R: En pratique, la double intégration nécessaire pour passer de l'accélération à la position amplifie les erreurs, causant une dérive significative.

➡️ Baixe esses experimentos científicos diretamente no aplicativo FizziQ (Atividades > ➕ > Catálogo)

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