A.V.A.T.A.R. : Analyse Vibratoire Assistée Technologiquement par l’Arduino pour la Rigidité

Contexte et motivations

La mécatronique ou l’électronique embarquée permettent aujourd’hui le diagnostic des systèmes mécaniques par un ordinateur de bord. La domotique propose également des systèmes électroniques et numériques permettant de contrôler à distance par liaison Bluetooth, Sigfox ou Lora, la fermeture de volets, la régulation de la température des pièces en intégrant des technologies devenues accessibles au grand public. Par ailleurs, la mouvance des « Makers » avec le développement de l’impression 3D a entraîné l’émergence de l’Opensource et de l’IoT (Internet of Things). Ainsi la carte de prototypage électronique Arduino et les outils de développement logiciels libres comme App Inventor 2 du MIT ou Python GTK (PySerial, PyLab…) ouvrent de nouveaux horizons pour nos étudiants et les métiers qu’ils exerceront demain.

J’ai la responsabilité des enseignements de Science des Matériaux aux 120 étudiants de Génie Mécanique et Productique de l’IUT de Nîmes, soit 10 groupes de Travaux Pratiques (TP) repartis en binômes ou trinômes.

Fort de cela,je propose à mes étudiants une séance de TP innovante en Learning Lab. En petits îlots, ils découvrent les bases de la programmation d’une carte Arduino en fabriquant un instrument de mesure pour la caractérisation des matériaux.

Ce dispositif expérimental est relié par Bluetooth à une tablette tactile ou un Smartphone Android. L’écran tactile permet alors de sélectionner les conditions expérimentales, de déclencher le début de l’expérience puis de récupérer les données dans un tableur pour le traitement ultérieur des données. Ils abordent ainsi la transversalité des enseignements en couplant la technologie des capteurs, le dimensionnement des structures ou la mécanique.

Le projet A.V.A.T.A.R consiste à équiper la salle de TP des fours de métallurgie d’un nouvel instrument de caractérisation des matériaux. En effet, les différentes familles de matériaux, selon leur module d’élasticité ou rigidité, sont utilisées pour favoriser la transmission des ondes acoustiques (instruments de musique) ou pour leur propriétés d’amortissement (isolation phonique, atténuation des phénomènes de vibration).

Pour illustrer les différentes applications industrielles qui en découlent, la conception d’un instrument de contrôle non destructif des propriétés mécaniques permettra aux étudiants répartis en binômes ou trinômes de compléter leurs connaissances en programmation informatique (C#, Python) , en électronique (Conditionnement du signal, choix des capteurs) et pour le traitement statistique des données.
Des tutoriels ou capsules vidéo sont tournés, puis hébergés sur la plateforme Moodle. Ces supports vidéo contiennent des informations sur les propriétés des matériaux des capteurs utilisés.

Objectifs pédagogiques
Découvrir et s’approprier les nouvelles technologies (carte de développement Arduino, Bluetooth, Interface Homme-Machine sous Android) tout en caractérisant les propriétés mécaniques des matériaux à sélectionner pour répondre à un cahier des charges comme ils seront amenés à le faire durant les projets tutorés, dans leurs stages industriels ou lorsqu’ils travailleront dans l’Industrie en collaboration avec le bureau d’études, le responsable des achats et les chargés d’affaires.

Modalités de mise en œuvre

• Au premier semestre, les étudiants vont compulser (classe inversée) des documents disponibles sur Moodle (pré-requis, guides techniques, documentations, programmes Arduino, capsules vidéo...) ou ceux que je leur fournirai (Fréquence de vibration, Méthodes expérimentales, Normes, Analyse numérique, Traitement du Signal...).
• En milieu de semestre, une évaluation rapide avec Plikers afin d’apporter des compléments d’information en cas de lacunes. Etape de remédiation.
• Au second semestre, l’utilisation en TP de l’instrument de mesure avec une pédagogie différenciée selon le niveau de compétence et les acquis (boîte noire, simple utilisateur ou boîte ouverte avec possibilité de programmer sa propre application).

En parallèle, les étudiants ont accès via la plateforme Moodle aux notices techniques des composants utilisés, aux câblages électroniques (Fritzing), aux exemples de codes source Arduino, aux Screencasts pour s’initier à la programmation et à la configuration du Bluetooth. Des quizz sont également proposés de façon à s’assurer que les étudiants ont bien pris connaissances des supports.

Renseignements complémentaires
Cet instrument de mesure des vibrations d’une poutre encastrée peut être utilisé pour :

• la détermination du module d’Young ou rigidité d’un matériau inconnu,
• illustrer le principe de fonctionnement des balances à quartz (variation des fréquences avec la masse),
• illustrer les oscillations forcées d’une éolienne soumise à des vents en rafale,
• dimensionner un instrument de musique de type xylophone ou métallophone.

Spécificités du projet

Le projet a pour objectif de savoir déterminer expérimentalement une fréquence de vibration afin d’estimer la rigidité et la masse volumique d’une barre de section rectangulaire en tenant compte des phénomènes de propagation des ondes acoustiques. Au final d’être capable de mettre en œuvre une carte Arduino pour le développement d’une application d’électronique embarquée et connectée.
Classe inversée :
Recherche des fréquences propres de vibrations des poutres encastrées et en appui (sur lames ou plaques) pour la détermination du module d’Young de diverses familles de matériaux.
Recherche documentaire sur les capteurs capacitifs de proximité, sur les accéléromètres, et les capteurs piezoélectrique et leurs mises en œuvre.
Détourner l’utilisation première d’une carte RAMPS, normalement utilisée pour la gestion et le contrôle des moteurs pas à pas et la régulation des températures d’une imprimante 3D, pour piloter un instrument de mesure.

Connecter une antenne BlueTooth à un Arduino. Etablir une connection Série pour récupérer les mesures entre l’Arduino et un appareil Android à l’aide de l’outil de développement du MIT, App Inventor.

Exploitation de capacités ou de compétences :

Initiation à la programmation de l’Arduino en C# (continuité du cours d’algorithmique)
Mise en commun des informations trouvées sous forme d’exposés de 3 à 5 minutes de façon à restituer l’information après analyse et synthèse en Travaux Dirigés.

Evaluation par les pairs :
Un étudiant, après les dernières séances de TP posera des questions à plusieurs de ses collègues. Il disposera d’un capital de points à répartir entre chaque étudiant qu’il aura évalué. Une note individuelle ou par groupe sera alors proposée.

Evaluation par l’enseignant :
Des exercices concrets relevants du coeur de métier (dimensionnement d’une éolienne, détermination du module d’Young du cuivre, vitesse de propagation des son) seront proposés aux groupes en fin de séance. Un quizz sur 4 ou 5 questions clefs est envisagé et le dépouillement est réalisé à l’aide de l’application Plickers.
Enquête de satisfaction de l’expérience pédagogique avec VotAR