LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEURNovembre / 20137 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLE, Des robots pour guider les bancs de poissons, des micro-algues et des gouttes de pluie sources dnergie perptuelle, les secrets de la Joconde percs par microspectromtrie... Techniques de lIngnieur lve le voile sur ces incroyables challenges !SOMMAIREDITO3LA COURSE LNERGIE PERPTUELLE5RCUPRATION DE LNERGIE DES GOUTTES DE PLUIE5 UNE ALIMENTATION PERPTUELLE PARTIR DE LA RCUPRATION DNERGIE THERMIQUE 19LA RCUPRATION DNERGIE AU FREINAGE FAIT SES PREUVES21COMMENT PRSERVER LES OCANS ?22ROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3D23 UN POISSON ROBOT CAPABLE DE GUIDER LES BANCS DE POISSONS 39DES POISSONS ROBOTS POUR DTECTER LES POLLUTIONS MARINES40SOURIEZ, VOUS TES AUTHENTIFIS !41AUTHENTIFICATION DES BOUTEILLES DE VIN42 TECHNOLOGIES DIDENTIFICATION ET DAUTHENTIFICATION POUR UN SYSTMEDE TRAABILIT50AUTHENTIFICATION BIOMTRIQUE : VISAGE, VOIX ET PAROLES VRIFIS SIMULTANMENT51LES ALCHIMISTES DE LNERGIE52VALORISATION INDUSTRIELLE DES MICROS ALGUE53ENTRE LES DCHETS ET LLECTRICIT, UNE TORCHE PLASMA65LUTTE CONTRE LA POLLUTION DES EAUX - VALORISATION NERGTIQUE DES BOUES67UN NANO POUR NOUS SAUVER TOUS68NANOTECHNOLOGIES POUR LA THRAPEUTIQUE ET LE DIAGNOSTIC69NANOTECHNOLOGIES ET MDECINE : UNE RVOLUTION ANNONCE91LA SCIENCE AU SERVICE DE LART94ANALYSE NON DESTRUCTIVE DES OBJETS DARTE95QUAND LES ROBOTS SE METTENT LA PEINTURE 116Lafndelanne2013approchepetitpetit avecsonlotdebilans,debestofet autres btisiers .LesEditionsTechniquesdelIngnieursont ellesaussienpleinertrospective,puisquela rdaction de la Veille Actualits planche sur sa newsletter de dcembre qui compilera les meil-leurs articles de lanne en cours !Aujourdhui,noussommesheureuxdevous prsenter le livre blanc 7 rponses aux dfs scientifquesdu21mesicle,unbestofqui regroupedesarticlesdesbasesdocumen-tairesetdelaVeille Actualitssurlethme recherche et innovation .Rcupration de lnergie des gouttes de pluie, robot-anguille,valorisationindustrielledes micros-algues,nanotechnologiesLardac-tionachoisidevousprsenterdesinnova-tionsspectaculaires-ceuxquiontdjvule robot-anguilleendmonstrationnedirontpas lecontraire!-quirpondentgalementaux grands dfs scientifques de ce sicle.Et ils sont nombreux. Lnergie, dabord et tou-jours.Toutlemondeenconvient,lefuturde lnergiersidedansuneproductioninfnieet neutrepourlenvironnement.Cestpossible DITOPlus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr maiscomplexe.Larcuprationdelnergie des gouttes de pluie va dans ce sens.La pollution de la plante est galement un en-jeuconsidrabledecesicle,notammentau niveau marin.La mise au point de robots capables de dtecter toute pollution marine et de guider les bancs de poissonspourlesprotgerestuneinnovation incroyablequimontreaussiquelarobotique offre des perspectives inoues aux chercheurs.Autresenjeuxmoinsspectaculairesmais tout aussi importants, lidentifcation et lauthen-tifcation : Que ce soit pour dcouvrir les secrets des peintures des plus grands matres - le sfu-mato de Lonard de Vinci naura plus de secret pour vous - ou pour authentifer des bouteilles devin,lecontrlenondestructifoulabiom-trie offrent des perspectives inimaginables il y a encore peu de temps.Enfn,pourterminerenbeaut,placeauxna-notechnologies.Silyabienunervolution couronnedesuccscesderniresannes, cestbiencellelieauxpropritsextraordi-naires-ausenspropre-desnanomatriaux. Ces derniers trouvent des usages dans tous les secteurs de lindustrie et donc de la recherche etnotamment,cestcequinousintresseici, en mdecine.Nousespronsquevousprendrezautantde plaisir dcouvrir ces innovations que nous en avons eu compiler les articles qui composent ce livre blanc, et qui montrent que mme dans des temps incertains,la rechercheet par-del linnovation nont pas dautres limites que celles de notre imagination !LA COURSE LNERGIE PERPTUELLE7 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLE5Et si on rcuprait lnergie au lieu dternellement la crer ? Les gouttes de pluie, le freinage, la chaleur, la lumire, les vibrations Ces sources dnergie sont aussi tonnantes quinpuisables ! INNOVATION Editions T.I. 4-2009 IN100 - 1 Rcupration de lnergiedes gouttes de pluiepour lalimentationde microsystmes autonomes par Romain GUIGON , Jean-Jacques CHAILLOUT , Ghislain DESPESSE et Thomas JAGER LeCommissariatlnergieatomique(CEA)amisaupointunsystmercuprantunenergieencoreinexploiteillustreparlapluiemaisplusgnralement transmise dans les chocs . 1. Contexte Larcuprationdnergieestundomainedacti-vitrcent,maisaussiunethmatiquedimpor-tancecroissante,voirecrucialelorsquelonparledobjetscommunicantsetdemicrosystmesauto-nomes.Eneffet,alorsquecesobjetsserpandentdeplusenplusautourdenous,leurautonomienergtiqueestaujourdhuilimiteparladuredevie de leur pile ou de leur batterie. Pour laccrotre,il faut alors penser soit remplacer ou rechargerrgulirementcesdernires,cequipeutservler la fois coteux et contraignant, soit surdimension-nerinitialementlasourcednergiedecesmicro-systmes,quidemicronontaufinalplusquelenometquiparailleurscontiennentunesourcedepollution.Pourrconcilierlestermes microsystme et autonome , il est alors ncessaire de trouver dessourcesdnergiealternativesausimplestockagednergiechimique.Cestceniveauquintervientlarcuprationdnergie :sonbutestdepouvoirfournir au systme lnergie dont il a besoin directe-mentpartirdelnergiedisponibledanssonproche environnement. 1.1 Rcupration dnergie Grce aux progrs continus raliss dans la dimi-nutiondesbesoinsnergtiquesdesdispositifslectriques,lesmicrosystmesindividuelspeuventtrealimentspartirdetrsfaiblessourcesdnergie,dansunegammedepuissanceallantdunanowattaumilliwatt.Cefaibleniveaudepuis-sancerequispermetdenvisagerlarcuprationopportuniste de lnergie ncessaire leur fonction-nement dans leur environnement.Diversessourcesnaturellesdoiventalorstreconsidres, telles que : lnergie solaire ; les vibrations mcaniques ; les variations et les carts de temprature ; ou encore lnergie dissipe par lhomme.chaquesourceconsidre,denombreuxprin-cipes physiques permettent de rcuprer lnergie.videmment,ilnexistepasdesolutionuniquecapabledesadaptertouslesenvironnements,mais autant de solutions que denvironnements dif-frents. Romain GUIGON , Jean-Jacques CHAILLOUT , GhislainDESPESSE et ThomasJAGER, ing-nieurs de recherche au CEA, sintressent notam-mentlalimentationennergienaturelledemicrosystmes de mesure communicants sans filset trs basse consommation. Ils se consacrent par-ticulirement la rcupration de lnergie mca-niquesoustoutessesformes,dontcelledelnergie des chocs mcaniques.Onserfreraauxnotationsdonnesavecleur unit SI dans le tableau 1 . Exemple : on peut rcuprer lnergie solaire partirdesimplescellulesthermiques,oubientravers des cellules photovoltaques.Parmilesnergiesenvironnementalesencoreinexploites,unearetenunotreattention :la pluie .Nousavonsalorsconuunsystmeper-mettantdeconvertirlnergiemcaniquedesgouttesdepluieennergielectrique,grceauprincipe de la pizolectricit . IN100.fmPage 1Lundi, 11. mai 200910:45 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in100Plus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEUR INNOVATION 4-2009 IN100 - 2 Editions T.I. Tableau 1 Notations Donnes gomtriques Donnes lectriques Donnes mcaniques D max (m) diamtre dtalement dune goutte h (m)hauteur de chute a (m)distance entre loriginede la lamelle pizolectriqueet le dbut de llectrode b (m)distance entre loriginede la lamelle pizolectriqueet la fin de llectrode v (m 3 )volume H (m)paisseur du pizolectrique W (m)largeur du pizolectrique L (m)longueur du pizolectrique R goutte (m)rayon dune goutte deau R capillaire (m)rayon du capillairerfrentiel galilen k 2 ()coefficient de couplage U elec (J)nergie lectrique V elec (V)tension lectrique C (F)capacit Q (C)charge dun condensateur E (V/m)champ lectrique d 31 et d 33 (C/N)coefficient pizolectrique de charge(= 15 pC/N ici) (F/m)permittivit du matriau pizolectrique V choc (m/s)vitesse de chocdune goutte deau V (m/s)vitesse dune goutte deau aprs le choc ()coefficient de restitution m PVDF (kg)massedu pizolectrique en PVDF m goutte (kg)masse de la goutte deau U deformation (J)nergiede dformation Y PVDF (N/m 2 )module dYoungdu PVDF (= 3 200 N/m 2 ici) moy (N/m 2 )variationde la contrainte moyennesur une section donnelors dun impact moy ()variationde la dformation moyennesur une section donnelors dun impact (N/m 2 )tension de surface linterface liquide vapeur g (m/s 2 )gravit (kg/m 3 )masse volumique (= 1 800 kg/m 3 ici) ()masse rduite C D coefficient de trane33S 1.2 Pizolectricit : principede conversion dnergie Ondistingueplusieursmodesselonlesquelsunmatriaupizolectriquepeuttreexcit,notam-ment ceux de la figure 2 :Lesquationsgnralesdelapizolectricitpermettentdequantifierlimportanceducouplagelastrodilectrique. Cependant, du fait de leur carac-tretensoriel,ellessonttrslourdesetdifficilesLesmatriauxpizolectriquessechargentlectriquementlorsquilssontsoumisunevariationdecontraintemcanique [1].Uneaction mcanique (force F ) provoque lapparitiondun diple lectrique dans chaque maille cris-tallinedumatriaupardplacementdiffrentieldescentresdegravitdeschargespositivesetngatives (figure 1 ).Lquilibrelectrostatiquesetrouvantrompu,unepolarisationapparatcrantainsiunpoten-tiellectrique P danslematriau :cestleffetpizolectrique direct. Il existe un effet inverse :lapplicationdunchamplectriqueprovoquantalors une dformation mcanique du matriau.Sur la pizolectricitMoteurs pizolectriques [D 3 765] de B. NOGAREDE. Figure 1 Matriau pizolectrique sous contraintecontrainte++++++C+ CFFP IN100.fmPage 2Lundi, 11. mai 200910:45 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in10077 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLE INNOVATION Editions T.I. 4-2009 IN100 - 3 Figure 2 Modes dexcitation dun matriau pizolectrique (par convention, laxe 3 est laxe de polarisation)Mode 33 Mode 31 Mode 15Cisaillement autour de laxe 2 Traction/compression sur laxe 1 Traction/compression sur laxe 3FFFFF FVelec VelecVelec3 3322211 1Le mode y signifie que la force mcanique est applique sur la direction j et que la tension lectrique est rcupre dans la direction i. Tableau 2 prouvettes de matriaux pizolectriqueset coefficients de couplage Formede lprouvetteSensde polarisationDirectionde vibrationCoefficientde couplage Pour les notations, se reporter au tableau 1 . S E : dformation mcanique champ lectrique constant dans la direction 33 pour ou 11 pour.321kdSS E333333 33=321kdSS E313133 11=SE33SE11 utiliser. Aussi dans la pratique, prfre-t-on caract-riser le couplage par un scalaire appel coefficient decouplage [2].Ce coefficient de couplage permet de comparer lesperformances des matriaux pour chaque mode dedformation .Sonexpressionsobtientaismentsionconsidrequelematriaupizolectriquesedformedemanirequasistatique.Selonlaformedu transducteur et le mode de vibration, il prend dif-frentes valeurs donnes par le tableau 2 .Les matriaux pizolectriques sont largement uti-lissentantqueprincipedeconversiondnergiemcanique en nergie lectrique. De nombreux sys-tmes les utilisant ont alors t proposs pour rcu-prer des nergies environnementales. On peut citerentre autre : unsystmercuprantlnergieduvent,danslequelunmatriaupizolectriqueestinstallsurdes moulins vent [4] ; le concept Eel qui exploite la dformation dunemembrane PVDF [5] soumise un coulement tan-gentiel sa surface ;Du point de vue dynamique, le coefficient decouplagedunmatriaupizolectrique caractrisesonaptitudetransformerlnergielectriqueennergiemcaniquededformationet inversement. Il est dfini par : (1) knergie transformenergie apporte2 = PVDF : polymre du fluorure de vinylidne, de langlais PolyVinyli-Dene Fluoride IN100.fmPage 3Lundi, 11. mai 200910:45 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in100Plus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEUR INNOVATION 4-2009 IN100 - 4 Editions T.I. ouencoreundisquePZTmontsurunrsonateurdHelmholtzrcuprantsonnergieacoustique [6].Mais la majorit des tudes concerne la rcupra-tiondelnergiedevibrationlaidedepoutrespizolectriquesbilamessollicitesenflexionsimple [7] [8] [9].Linconvnientmajeurdecessystmesestquilspermettentdercuprerdelnergieavecunrendementacceptablequesilssont excits leur frquence de rsonance. Afin deconcevoirunsystmeutilisabledansunemultitudedenvironnementsdiffrents,ilestalorsprfrablequilpuissesadapterlui-mmeauxsollicitationsquil subit, indpendamment de leur frquence. 1.3 Pluie : source dnergienon ngligeable LesrelevsmtorologiquesdeMtoFrance(tableau 3 ) montrent quil existe plusieurs types deprcipitations.Comptetenudufaitquunegouttedepluiearrivesurterreselonunetaillemilli-mtrique, son impact va gnrer une force relative-mentfaibledoncunecontraintemcaniquefaible,etdoncunenergiercuprablengligejusquprsent.Danscetteapplication,nousavonsintrt concevoir un systme pizolectrique fonctionnantenmode31permettantdemaximiserlacontraintemcanique apparaissant au sein du matriau par-tir dune force dimpact limite.Ceconceptestillustrparlafigure 3 ,oloncompare la contrainte mcanique maximale obtenueenmode31etenmode33.laidedunesimpleapplication numrique, on constate que le mode 31permeteffectivementdemaximiserlacontraintemcanique apparaissant au sein du matriau. Tableau 3 Donnes sur les prcipitations [1] PrcipitationDiamtre et vitessede la gouttenergie disponible Pluie d = 1 mm ; v = 2,8 m/sAverse d = 5 mm ; v = 5,7 m/s Figure 3 Intrt du mode 31 par rapport au mode 33E m vC goutte= 1222JE m vC goutte= 1212 mJContrainte maximale sur laxe 3 (compression) [21] :F = 10 NF = 10 NAxe 3Axe 3Axe 1Axe 1Contrainte maximale sur laxe 1 (flexion) [21] :Application dun effort F sur une poutre(longueur L = 10 cm, paisseur H = 1 mm,largeur W = 3 mm) en porte--fauxApplication dun effort F sur unepoutre(longueur L = 10 cm, paisseur H = 1 mm,largeur W = 3 mm) encastre sur laxe 1a mode 31 b mode 333129 262 10max= = FLWHN m /3333333 N/m2max = =FWLPZT : matriaude formule chimique Pb(Zrx,Ti1-x)O3 Pourdesraisonscologiques,notrechoixdematriausestportsurunpizolectriquedelafamillepolymre :lePVDF(matriausansplomb,contrairementauxcramiquesPZT,parexemple) dpaisseur H = 25 m. Typiquement,lecoefficientdecouplagepizolectriquedespolymresenmode31estdelordrede2 %.Untelsystmepeutnouspermettredercu-prerentre40 nJet20 Jdnergielectrique[cf. quation (1)]. IN100.fmPage 4Lundi, 11. mai 200910:45 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in10097 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLE INNOVATION Editions T.I. 4-2009 IN100 - 5 2. Dimensionnement 2.1 Dmarche de conception Pourrcuprerlnergiedesprcipitations,nousavonsimaginlastructureschmatisesurlafigure 4 :unemembranepizolectriqueorthogo-naleaudplacementdesgouttesdeauetsensibleauxchocssasurface.Pourrcuprerleschargeslectriquescresparladformationdumatriau,ondisposedeslectrodes(enjaune)departetdautre du matriau.Pourobtenirledimensionnementoptimaldececomposant, deux tapes sont ncessaires : ilsagitdaborddesimulermcaniquementlimpact dune goutte de pluie sur la membrane afindemaximiserletransfertdelnergiecintiquedelagoutteennergiededformationdumatriaupizolectrique ; puis,demaximiserlnergielectriquercu-pre(enchoisissantlatailleoptimaledeslectrodes) via un modle lectro-mcanique.Afinderesterconservateur,cedimensionnementseffectuedanslecasleplusdfavorable :considrerlimpactduneuniquegouttedepluieetnon pas de plusieurs gouttes daverse. 2.2 Dimensionnement mcanique 2.2.1 Thorie de limpact Enpratique,delnergieesttoujoursperdueaucoursdunecollisionentresolides.Cettepertednergie,assimilableunedissipationeffective,provientdephnomnesdediffrentesnaturesetestgnralementquantifieparle coefficientderestitution ,dfinilorsdunecollisionbinaireselon [10] : (2) avec V choc et V respectivementnormesdelavitesse de la goutte avant et aprs le choc.Lesdeuxcasextrmes = 1et = 0corres-pondent,respectivement,auxlimiteslastiqueetcompltement inlastique du choc.Ilesttoutfaitpossibledecalculerdescoeffi-cientsderestitutionpourlesimpactssolide/liquide[11] [12] [13] [14],etcejour,destudesontmontrquelutilisationdematriauxsuper-hydro-phobes permet dobtenir des coefficients de restitu-tionde0,85lorsdunimpactliquideunevitesseprochede20 cm/s.Maispourdesvitessesplusimportantes,cecoefficientderestitutiondiminuesuivantuneloiproportionnelleen1/Vchoc,ettendvers0pourdesvitessesdelordredum/s [15].tantdonnquelesmatriauxpizolectriquesnepossdentpasdepropritparticuliredhydro-phobie,etcomptetenudesvitessesdimpactconsidres, nous pouvons qualifier notre impact deparfaitement inlastique.2.2.2 Choix du matriau pizolectriqueLutilisation de la thorie des chocs, combine laconservationdelaquantitdemouvement,permetdaboutirlexpressiondesvitessesaprsunchocinlastiquesurunmatriauPVDFinitialementimmobile :(3)En supposant que lnergie cintique de la goutte aprsimpact estintgralementconvertieennergie de dformation mcanique, il vient :(4)Ladrivedelquation (5)parrapportlamasselagouttemgouttemontrequeletransfertdnergieestmaximalpourmgoutte = mPVDF,ilsagit de ladaptation mcanique du choc similaire lquation bien connue de ladaptation lectrique.Toujours dans la perspective doptimiser lnergiede dformation apporte au matriau (et donc lner-gie rcupre), on a intrt utiliser une membraneconstituedunemultitudedefineslamellesind-pendantes les unes des autres et dont la largeur Wdechacuneestdelordredudiamtremaximaldtalement de la goutte Dmax (= 3 mm dans notrecas [13]).PourachevercedimensionnementFigure 4 Structure permettant la rcuprationde lnergie de gouttes de pluielectrodesa bH WAxe 3Axe 1xyL0Sur les collisionsbinairesMcanique gnrale Dynamique :thorie classique du choc [A 1 668]de J.P. BROSSARD =VVchocLagoutteetlematriaupizolectriquevontdoncsedplacerlammevitesseaprslimpact, pendant la dformation.Comptetenudufaiblepoidsdunegouttedeau, il est alors prfrable de choisir un mat-riaulgeretdunepaisseurHlaplusfinepos-sible.Enconsquence,nousprfronsutiliseruneuniquefeuillePVDFencastresesextr-mitspluttquelassociationclassique,maisnonoptimalepournotretude,de2feuillesPVDF colles (bilame).V Vmm mVgoutte PVDFgouttegoutte PVDFch / / = =+oocU m Vmmmdformation PVDF PVDFPVDFgoutte=12122 ggoutte PVDFchocmV+2IN100.fmPage 5Lundi, 11. mai 200910:45 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in100Plus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEURINNOVATION4-2009 IN100 - 6 Editions T.I.mcanique, il faut aussi dterminer la longueur L dupizolectrique.Enutilisantlquation (4),onconstate que pour des gouttes millimtriques, ladap-tationmcaniqueoptimaleprconisedutiliserdeslamelles de PVDF de 10 cm de longueur.2.2.3 Dformation mcaniquelors de la vibration du matriau pizolectriquetantdonnquelematriaupizolectriqueestencastrchacunedesesextrmits,ilvatresoumisuneflexioncomposelorsdelimpactdelagoutte(combinaisondeflexionetdetrac-tion/compression).Puisquelastructurevaoprerenmode31,seulelacomposantenormale(axe1delafigure 3)dutenseurdescontraintesdoittrecalcule.DanslereprefondamentaldelaRDM,cette composante scrit :(5)avec u vecteur dplacement.Compte tenu de lemplacement des lectrodes surnotrematriau,seuleladformationdelafibremoyenneducbleY = 0induituneffetpizo-lectrique.Ilnoussuffitalorsdecalculerlapartie traction/compression de la composante normaledu tenseur des dformations :(6)Connaissantcettevaleur,nouspouvonsalorscalculer la contrainte moyenne relative (au cours dutemps) :(7)Nousavonsmisaupointunmodlenumriquepermettantdesimulerlemouvementdunelamellepizolectrique impacte par une goutte deau [16].La figure 5 montre lvolution de lamplitude de ladformation du cble au cours du temps assimilablelvolutiontemporelleduneportiondelamellepizolectrique(H = W = 25 m)impacteparune portion de goutte deau (disque dont lpaisseurest gale celle du pizolectrique).Initialement,lecbleesthorizontal,etilatteintlquilibremcaniquetraversunevibrationamor-tie.Puislagoutteimpactelecbleaucentret = 0,05 s,instantolonconstateuneimportantedformationlocalise.Celle-cisepropageensuiteaucoursdutempsenserflchissantauxpointsdancrage. cause des frottements internes au seindumatriauainsiqulinteractionfluide/structure,lamplitudedelavibrationsamortitetlecbleretrouve sa forme initiale. La goutte deau reste surla membrane : lquilibre est lgrement perturb.RDM : rsistancedes matriaux1( ,,) X YtuXuXXtraction compression= =dddd/

YuXYflexiondd22

moyXXtu XtX( ,) ( ,)=dd = + moy moy moyXt Xt t Xt ( ,) ( ,) ( ,)Figure 5 Vue de dessus du cble vibrant au cours du temps 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,050,10,0950,090,0850,080,0750,070,0650,060,0550,050,450,46004653301956075210345480615750Point et instantde limpactAmplitude (m)ExtrmitsencastresCble (m)Temps (s)IN100.fmPage 6Lundi, 11. mai 200910:45 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in100117 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLEINNOVATION Editions T.I. 4-2009 IN100 - 7Nous pouvons prsent prdire le comportementlectriquedenotrestructureviaunmodlemcano-lectrique.2.3 Dimensionnement lectrique2.3.1 Modle lectromcaniqueAppliquesnotresituation,lesquationsdelapizolectricit [1]permettentderelierlechamplectriqueEetlacontrainterelativemoyauxdformationsmoycalculesprcdemment[quation (7)] :(8)avec YPVDFmoduledYoungduPVDF(= 3 200 N/m2),(F/m)permittivitdumatriaupizo-lectrique.Enassimilantlepizolectriqueuncondensa-teur, et en utilisant les quations prcdentes, il estpossibledecalculerlesgrandeurslectriquesrcuprables : la tension lectrique :(9) la capacit :(10) la charge lectrique :(11)Aufinal,onpeutcalculerlnergielectriquedis-ponible aux bornes du pizolectrique :(12)2.3.2 Optimisation de la surfacede recouvrement des lectrodesDiversessimulations(pluie,averse...)onttmenesdanslebutdedterminerlaconfigurationdlectrodemaximisantlnergielectriquepro-duite. Les rsultats qui suivent sont donns pour uncblepizolectriquededimensionsL = 10 cm ;W = H = 25 msonmaximumdedformation,impact par une goutte chutant 2,8 m/s ; o a etbreprsententlesdistancessparantlorigineducbleauxdeuxextrmitsdeslectrodes,conformment la figure 4.Lacapacitdumatriaupizolectriquesexpri-mant par :et la tension lectrique par :E dYYPVDFSmoymoy PVDF moy= = 3133 33SV t V t V tE t y HE tlec haut bas( ) ( ) ( )( ) ( )= = = dHHH//22Cb a WHS=33( )Q t CV t b a W d tmoy( ) ( ) ( ) ( ) = = 31U t CVkY HW b alec lecPVDFmoy( )( )[ (==1222312 tt)]2Cb a WHS=33( )VQClec=Figure 6 nergie instantane et tension lectrique en circuit ouvert dans un cble pizolectrique impact en son centre par une goutte de pluie en fonction des dimensions de ses lectrodesa (m)81634527089072543618006716045374704033352682011346700,05 0,1 0,1 0 0,05 00,0500,1Velec (mV)Uelec (pJ)b (m)0,0500,1b (m)a (m)Cble pizolectrique de dimensions L = 0,1 mm, W = H = 25 ma : distance entre lorigine de la lamelle pizolectrique et le dbut de llectrodeb : distance entre lorigine de la lamelle pizolectrique et la fin de llectrode a nergie instantane b tension lectrique en circuit ouvertIN100.fmPage 7Lundi, 11. mai 200910:45 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in100Plus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEURINNOVATION4-2009 IN100 - 8 Editions T.I.Ilestnormaldetrouverfigure 6quepluslasur-facedlectrodeestpetite(a bprochedezro),pluslatensionlectriquecrepareffetpizolec-triqueestforte.Onremarquetoutdemmequunrecouvrementtotaldelasurfaceducblepardeslectrodes (a = 0 et b = L) permet de maximiser larcupration dnergie lectrique.Letableau 4rsumealorslesgrandeurslec-triquesrcuprablesdanschacunedessituations,en choisissant de recouvrir entirement le matriaupizolectrique par des lectrodes.3. Performances exprimentales3.1 Rglage de la taille de la goutteAfindepouvoircrerartificiellementunegouttedeau calibre ayant une vitesse dsire, nous avonsutilisleprincipeducompte-gouttes(formationtrs lente des gouttes pour rester proche de lquili-bre statique). Une telle goutte, pendue lextrmitdu capillaire, est soumise diverses forces : sonpoids(quichercheladcrocherducapil-laire) ; les forces de pression ; les forces capillaires (qui la retiennent au capil-laire).Cet quilibre conduit la relation reliant le rayonde la goutte celui du capillaire la formant [17] :(13)avec Rgoutterayon de la goutte pendante,Rcapillairerayon du capillaire,g acclration due la pesanteur, tensiondesurfacedeleaulinterface luiquide/vapeur,eaumasse volumique de leau.3.2 Rglage de la vitessede la goutteUnbilansimplifidesforcessappliquantunegoutte deau de diamtre D chutant permet dobte-nir, aprs application du principe fondamental de ladynamique (figure 7) :(14)avec F pousse dArchimde,P poids de la goutte,m masse de la goutte,R frottement visqueux,x abscisse de la chute.Larsolutiondecettequation (14)permetdeconnatrelavitesseVenfonctiondelahauteurdechute h :(15)Tableau 4 Grandeurs lectriques rcuprables dans diffrentes situationsTypede goutteDimensionsdu cbleTensionlectriquercuprablenergielectriquercuprablePuissance instantane rcuprablePluiediamtre : 1 mmvitesse : 2,8 m/slongueur : 10 cmlargeur : 3 mmpaisseur : 25 m1,6 V 1,7 nJ 0,8 WIntermdiairediamtre : 2,2 mmvitesse : 0,75 m/slongueur : 10 cmlargeur : 3 mmpaisseur : 25 m3 V 5 nJ 2,5 WAversediamtre : 5 mmvitesse : 5,7 m/slongueur : 10 cmlargeur : 1,3 cmpaisseur : 25 m98 V 25 nJ 12,5 mWCetteformulemontrequuncapillairede23 mdediamtreextrieurestncessairepourformerdemanirequasi-statiquedesgouttesdeaude1 mm de diamtre.RRggouttecapillaireeau=3213Figure 7 Bilan des forces dune gouttelors de sa chutex PFGouttedeauR

F P R mx + + =VhhbabA( ) = + +11 4eIN100.fmPage 8Lundi, 11. mai 200910:45 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in100137 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLEINNOVATION Editions T.I. 4-2009 IN100 - 9avec les grandeurs :(16)(17)(18)(19)(20)(21)(22)(23)3.3 Dispositif exprimentalNous avons choisi de crer une goutte par minutelaidedunemicropompeKDSpermettantderglerledbitdinjection30 L/h.Lescapillairesen verre de 10 m de diamtre interne et 25 m dediamtreexterneonttfournisparlasocitWPI.Lestensionsmesurersontsuffisammentleves(delordredequelquescentainesdemV),pour pouvoir permettre lutilisation dune sonde dif-frentiellede50 MrelieunoscilloscopenumriqueTEKTRONIXpourmesurerlatensionvide.Lasondediffrentiellepermet,dunepart,deraliserdesmesuresavecunfaibleniveaudebruitet,dautrepart,dobserverunsignallectriquedelordredelamssanstropdattnuationgrcesaconstante de temps leve ( = RC = 60 ms).3.4 Rsultats exprimentauxLebancdessaiprsentsurlafigure 10atralispourcrerdesgouttesdepluieartificielleset caractriser lnergie lectrique rcuprable.LamicropompeKDSpermetdeconnatretrsprcismentledbitdinjectiondeleaudanslecapillaire. laide dun simple chronomtre, on peutvaluer le temps de formation dune goutte et doncson rayon R par :(24)avec t temps de formation dune goutte,QVdbit-volumergllaidedelamicropompe.Ladterminationdelavitessedimpactsefaitlaidedumodlethoriquedveloppdansleparagraphe 3.2.Lafigure 11prsentelesrsultatsobtenuslaidedecebancdessaistraverslatensionlectriqueauxbornesdupizolectriqueenregistrelaidedunoscilloscopenumrique.Diffrentessituationsdimpactsonttralises.Lesrsultatsexprimentaux(tableau 5)restenttrsprochesdeceuxdonnsparlasimulation.Lestensionsetniveauxdepuissancelectriquercu-prs montrent bien la faisabilit dun tel systme.Ce modle simplifi a t compar un modleexprimental concernant la vitesse dimpact dunegouttede1,198 cmdediamtre,lchesansvitesseinitiale [18].Surlafigure 8,onconstatequenotremodlethoriquedonnedesrsultatsenbonaccordaveclexprience.Appliqudesgouttesde1 mmdediamtre,lemmemodlethoriqueconduit2 mdechutepourquelesgouttesatteignentleurvitesselimitede2,8 m/s(figure 9).Figure 8 Comparaison de modles thoriqueet exprimentaux donnant la vitesse dimpacten fonction de la hauteur de chute hmDeau= 36mDair= 36k D Cair D=182 = mmm=kmgaVVinitinit=+ln11b g = 2Ab a= + ln( ) 2 1 emodle thoriquemodle exprimental0,2 0 0,4 0,6 0,8 1 1,26543210Hauteur de chute h (m)Vitesse dimpact V (m/s)pour une goutte de rayon 1,198 mmlche partir dune vitesse initiale nulleFigure 9 Application du modle thorique des gouttes de divers diamtresHauteur de chute h (m)Vitesse dimpact V (m/s)0 1 2 3 4 5 66543210D = 1 mmD = 5 mmRQ tV=3413IN100.fmPage 9Lundi, 11. mai 200910:45 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in100Plus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEURINNOVATION4-2009 IN100 - 10 Editions T.I.Figure 10 Photos du banc dessaisFigure 11 Rsultat de diffrents impacts laide du banc dessaisTableau 5 Comparaison thorie/exprience pour des impacts grande vitesse sur du PVDF de 25 dpaisseurConditionsRsultatsde la simulationRsultatsexprimentauxRatio rsultatsexprimentaux/rsultats thoriquesImpact 4,5 m/s dune gouttede 3 mm de diamtre24 V17,2 V ( 147 nJ ; 73 W)0,72Impact 3,2 m/sdune goutte de 1,6 mm de diamtre5,7 V4,68 V ( 16 nJ ; 8 W)0,82Micro-pompeCapillaireMembrane PVDF avecdiffrentes largeurdlectrodesindpendantesStructure permettant dercuprer lnergiedimpact de la goutteOscilloscopenumriqueSupport permettant lerglage du pointdimpact de la gouttecabcabvue densemblevue de dtail de la structure de rcuprationvue de dtail du systme permettant de crer des gouttes de pluie calibresh Ch4 Max17,2 V Ch4 Max4.68 V40 ms/div5,7 V/div40 ms/div1 V/divImpact 4,5 m/s dunegoutte de 3 mm de diamtreImpact 3,2 m/s dunegoutte de 1,6 mm de diamtremIN100.fmPage 10Lundi, 11. mai 200910:45 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in100157 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLEINNOVATION Editions T.I. 4-2009 IN100 - 114. Conclusions et perspectivesLastructurepizolectriqueprsentedanscedossierpermetdobtenirexprimentalementdesgrandeurslectriquesprochesdesrsultatstho-riques, c'est--dire environ 1 nJ dnergie lectriqueet1 Wdepuissanceinstantanelaidedunegoutte de pluie standard. Cette situation reprsentele cas le plus dfavorable de rcupration dnergiedesprcipitations,maislessimulationsmontrentquilseraitpossibledercuprerjusqu25 Jet12 mWpartirdunegouttedaverse.Cesystmeinnovant peut tout fait rpondre aux besoins duncapteur basse consommation, par exemple, un sys-tmeautoalimentpermettantlamesuredelaquantitdepluieoudarrosage.Lesystmedercuprationdelnergiedeschocsdesgouttesdeaupermeteneffetdeffectuercettemesurepuisquilestaisdecomptabiliserlenombredimpactsparunitdesurfaceetquelamplitudemaximaledeladformationdelamembraneestunetraductiondelatailledelagouttedeau.Parailleurs, moyennant une modification du dimension-nement des lamelles pizolectriques, celles-ci ellesentrent en vibration lorsquelles sont soumises unfluxdairetproduisentalorsdelnergielectriquepar le mme principe que celui que lon a prsent.Onpeutalorsparexempleconcevoirdesapplica-tions pour des systmes de rcupration dner-gieoliennesanspicestournantesoudenouveaux styles de dbitmtres gazeux.Fort de ces rsultats encourageant, le brevet [20]protgecenouveauconceptdercuprationdelnergie des impacts (pluie, arrosage...) ou des fluxdegaz(nergieolienne,gazdansdescanalisa-tions...).Lapremireapplicationindustrielleenvisagedecenouveauprincipeconcernelautoalimentationde systmes placs dans les tours arorfrig-rantesdescentraleslectriques.Cestoursper-mettentlerefroidissementdeleauducircuitducondenseuravantsonrejetdanslenvironnementtravers lvaporation dune partie de cette eau aprssa pulvrisation sous forme de gouttelettes dans uncourant dair cr par la chemine. La taille et la den-sitdecesgouttestantbiensuprieurescellesdesconditionsnaturellesdelapluie,laquantitdnergie rcuprable devient tout fait compatibleavec beaucoup dapplications. Alors quactuellementilnexisteaucunsystmedemesuredansdetelsenvironnements,notreprincipedalimentationper-metdenenvisagerlinstrumentationparungrandnombre de capteurs afin de remonter par exemple la mesure du dbit deau et de la taille des gouttes,de la temprature dans la tour, du niveau dencras-sement des vaporateurs, et ainsi de suite.Brevet EN 07 53151 :Dispositif de rcupra-tion dnergie mcani-que de membranes excites par des chocs ou des vibrationsIN100.fmPage 11Lundi, 11. mai 200910:45 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in100LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEURPlus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I. Doc. IN 100 1 Doc. IN 100 4 - 2009 POUR EN SAVOIRPLUS Rcupration de lnergiedes gouttes de pluiepour lalimentationde microsystmes autonomes par Romain GUIGON Ingnieur de Recherche au CEA Jean-Jacques CHAILLOUT Ingnieur de Recherche au CEA Ghislain DESPESSE Ingnieur de Recherche au CEA et Thomas JAGER Ingnieur de Recherche au CEA lire galement dans nos bases BROSSARD(J.-P.) .Mcaniquegnrale Dynamique :thorieclassiqueduchoc. [A 1 668] Physique Chimie (1997).NOGAREDE(B.) .Moteurspizolectriques. [D 3 765]Convertisseursetmachineslectri-ques (1996). Sources bibliographiques [1] IKEDA(T.) .Fundamentalsofpiezoelectri-city. Oxford University Press, 280 p. (1990). [2] BERLINCOURT(D.A.),CURRAN(D.R.)etJAFFE(H.J.) .Piezoelectricandpiezoma-gneticmaterials. Physicalacoustic,NewYork, Academic Press, vol. 1A (1964). [3] CROWDER(C.)etBEYSON(J.P.) .Guidepratiquedelamtorologie. SlectionduReaders Digest, 288 p. (2005). [4] SCHMIDT (V.H.) . Piezoelectric conversion inwindmills. 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SmartMater.Struct., 17 015039 (2008). [20] GUIGON (R.), CHAILLOUT (J.-J.), DESPESSE(G.) et JAGER (Th.) . Dispositif de rcupra-tion dnergie mcanique de membranes ex-citespardeschocsoudesvibrations. Bre-vet, EN 07 53151, 8 fv. 2007. [21] DELAPLACE (A.), GATUINGT (F.) et RAGUE-NEAU(F.) .Mcaniquedesstructures. R-sistance des matriaux, Dunod (2008). IN100doc.fmPage 1Lundi, 11. mai 200910:46 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in100177 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLE Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Editions T.I. RCUPRATION DE LNERGIE DES GOUTTES DE PLUIE POUR LALIMENTATION DE MICROSYSTMES AUTONOMES ___________________________________ Doc. IN 100 2 POUR EN SAVOIRPLUS vnements Flow ConferenceASME Int. Mechanical Engineering Congress and R & D Exp. Brevet Dispositifdercuprationdnergiemcaniquedemembranesexcitespar des chocs ou des vibrations EN 07 53151 IN100doc.fmPage 2Lundi, 11. mai 200910:46 10Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_in100Plus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEUR197 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLEUNE ALIMENTATION PERPTUELLE PARTIR DE LA RCUPRATION DNERGIE THERMIQUELacapturedelnergie(energyharvesting),technique selon laquelle lnergie lectrique utile est gnre par des sources disponibles gratuitement telles que les vibrations, lachaleuroulalumire,estunecaractristiqueessen-tielle des capteurs sans fl auto-aliments qui ne requirent aucunemaintenancedelabatterie.Or,cesrseauxde capteurs sont de plus en plus utiliss, notamment dans des applicationstellesquelautomatisationdeprocessus,le contrle dtat ou les immeubles intelligents.Pourrpondreauxbesoinsdecemarch,STMicroelec-tronics,fournisseurmondialdesemi-conducteurspour applicationsdepuissanceetdegestiondelnergie,et Micropelt GmbH, une jeune entreprise allemande spciali-se dans le dveloppement dappareils thermolectriques innovants couches minces, ont dvelopp conjointement un kit dvaluation de capteurs sans fl autonomes baptis TE-Power NODE.Aucurdecenouveaukitdvaluation,ungnrateur thermolectrique(TEG)exploiteunphnomnephysique appel Effet Seebeck o lnergie lectrique rsulte du fuxthermiqueproduitparundiffrentieldetemprature sur une couche thermolectrique micro-structure. partir dungradienteffectifde10C,legnrateurthermolec-trique produit une tension de 1,4 V. Le systme de condi-tionnementdnergiepersonnalisdeMicropeltconvertit cette tension en une nergie suffsante pour commander le rseau de capteurs sans fl et charger une batterie en utili-sant le surplus dnergie thermique. Dans le kit, le gnra-teur thermolectrique Micropelt MPG-D751 est plac entre uneplaquedaluminiumsolideetunradiateurailettes. Laplaqueestrelieunesourcedechaleurapproprie, de sorte que leffet refroidissant du radiateur peut crer un diffrentieldetempraturesurlegnrateurthermolec-triqueenfoui.Larcuprationdnergiethermiqueoffre unpotentielexceptionneldanslamesureocettetech-nique reprsente une source dnergie auto-suffsante vir-tuellement infnie en exploitant gratuitement un surplus de chaleur qui sinon serait perdu , dclare Fritz Volkert, CEO de Micropelt.La batterie rechargeable utilise dans le kit est une batterie couches minces et haute densit nergtique EFL700A39 dveloppe par ST dans la technologie EnFilm. Elle affche ungrandnombredecyclesdecharge/dcharge,cest--diresuprieur1.000uneprofondeurdedchargede 50 % et occupe une surface de 25,4 x 25,4 mm pour une paisseur de seulement 0,2 mm. Rechargeable 80 % de sa capacit initiale en 20 min sous une tension constante de4,2Vdc,sanslimitationducourantdecharge,ellene contientpasdematiressolvantesetneprsenteaucun risquedinfammationencasdecourts-circuitsoudesur-charge.Cettebatteriede700microampre-heurepeut gnrer un courant crte puls lev (jusqu 10mA) pour alimenterlenuddecapteurssansflaucoursdeses communications avec le rseau.Lorsque la plaque de base du kit dvaluation est en contact avecunesourcedechaleur,legnrateurthermolec-trique de Micropelt alimente le systme et recharge la bat-terieEnFilm.Dsquelasourcedechaleurdisparat,le gnrateur cesse de fonctionner et seule la batterie EnFilm alimente le capteur sans fl. Lassociation du gnrateur et Destin lalimentation des capteurs sans fl autonomes, ce nouveau kit dvaluation associe la technologie de rcupration dnergie thermolectrique de Micropelt et une batterie solide couches minces de STMicroelectronics.Plus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEURdelabatterieEnFilmpermetdquilibrerlescartsdalimentationthermiqueetpermetdalimenterlesystmesansfl connect laide dune source dnergie virtuellement infnie.Conue par ST, la carte de la batterie hberge la batterie EnFilm et les circuits lectroniques qui commandent et surveillent la fois le niveau de charge de la batterie et le bilan nergtique : un rgulateur linaire BiCMOS STLQ50 spcialement conupourlesenvironnementsquirequirentunetrsbasseconsommationdnergie,ainsiquelecircuitdegestion de batterie STC3100 qui surveille la tension de la batterie, le courant et la temprature. Ce circuit intgre galement un compteur de Coulomb charg de superviser le niveau de charge/dcharge de la batterie.Le circuit de gestion de lalimentation et de contrle de la charge de la batterie peut tre visualis travers lelogiciel din-terface utilisateur graphique inclus via une liaison sans fl 2,4 GHz GHz. Le logiciel affche et enregistre les paramtres thermiques et lectriques essentiels du systme, parmi lesquels un bilan nergtique mesur en continu entre le gnra-teur thermolectrique et la batterie EnFilm. Pour lutilisateur, ce dispositif constitue un moyen dvaluer les performances du systme de rcupration thermique avec la batterie EnFilm dans une application donne, ce qui facilite la conception du systme et rduit les dlais de mise sur le march.217 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLELA RCUPRATION DNERGIE AU FREINAGE FAIT SES PREUVESLe concept de base dun systme de rcupration dner-gie au freinage est de transformer, lors du freinage, lner-gie cintique en nergie hydraulique et de la stocker au lieu de lliminer. Lnergie ainsistocke est ensuite rutilise lors de la phase dacclration, ce qui permet dallger le moteur combustion. Nos attentes concernant la rduc-tiondeconsommationdedieselparlesystmedercu-prationdnergieaufreinageonttcombles.Daprs lespremiersrsultats,nouscomptonssuruneconomie hauteurde1518%pourlecyclecomplet.Cetteten-dance sufft pour justifer la prochaine acquisition dun vhi-cule avec systme hybride hydraulique dclare Carsten Mielke, chef de service du transport pour le traitement des dchets du district urbain de Kassel.ANewYork,notretournederamassagedesordures nous conduit dans diffrents quartiers avec des densits de btimentsdiffrentes.Pourcetteraisonunentranement hybride hydraulique avec son mode de fonctionnement et de travail est la solution parfaite. De mme, nous esprons que les cots dentretien de nos poids lourds vont sensible-ment diminuer grce la rduction de lusure des freins et desbesoinsenpicesderechangesurenchritRocco DiRico,grantadjointauservicemunicipaldenettoyage de New York.Aprs ces tests couronns de succs en Allemagne et aux Etats-Unis,lesystmedercuprationdnergieaufrei-nage de Rexroth- lentranement hybride hydraulique HRB (Hydrostatic Regenerative Braking system) - est dsormais en production. Il est plus particulirement adapt aux vhi-culesutilitairesquifreinentfrquemmentetdemanire prolonge. Plus le freinage est intensif, plus la probabilit de diminuer la consommation de carburant par le systme de rcupration dnergie est leve, allant jusqu 25 %.UN PROCESSUS REVERSIBLELe HRB supporte les vhicules quips dune transmission mcaniqueconventionnelleetdunmoteurcombustion, comme par exemple les vhicules de collecte des ordures mnagresoulesvhiculesdedistribution.Uneunit pistonsaxiauxhydrauliqueestrelieparunrducteur latransmissionmcaniqueduvhicule(arbrecadran) pour transformer lnergie cintique en nergie hydraulique lors du freinage. Lunit pistons axiaux agit alors comme unepompeetexcutecettetransformationdnergieen remplissant un accumulateur vessie hydraulique avec de lhuile hydraulique. En relation avec un bloc de commande desvalveshydraulique,unbotierdecommandelectro-niquepiloteceprocessusquipermetderduirede50% lusure des freins.Lors du dmarrage, le processus sinverse compltement : lhuile sous pression se dcharge sous le contrle du bloc de commande et est renvoye via lunit pistons axiaux. Celle-cidevientdoncunmoteur,entrainparcettehuile sous pression, et transmet sa puissance la transmission mcanique,rduisantnotammentlmissiondeparticules grce une sollicitation moindre du moteur combustion lors de lacclration.DJ PARU :Desressortsennanotubesdecarbonepourstocker lnergie Un nouveau concept de valves de retenue et de freinageLe simulateur dynamique le plus perfectionn de lindus-trie automobileAprsdestestscouronnsdesuccsenAllemagneetauxEtats-Unis,lesystmedentranementhybride hydraulique HRB a dmontr quil rduisait jusqu 25 % la consommation de carburant ainsi que les missions de CO2 des vhicules utilitaires tout endiminuant de 50 % lusure des freins.Explications. Plus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEURCOMMENT PRSERVERLES OCANS ?Quand la robotique vient au secours des ocans, cela donne des poissons robots capables de nager en trois dimensions, de guider les (vrais) poissons et de dtecter les pollutions marines !Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur S 7 856 1Robot anguille sous-marin en 3Dpar Frdric BOYERMatre assistant lcole des mines de NantesInstitut de recherche en communications et cyberntique de Nantes(IRCCyN, UMR CNRS 6597)Mazen ALAMIRCharg de recherche CNRS, laboratoire dautomatique de GrenobleDamien CHABLATChargderechercheCNRS,Institutderechercheencommunicationsetcyberntiquede NantesWisama KHALILProfesseur lcole centrale de NantesInstitut de recherche en communications et cyberntique de NantesAlban LEROYERMatre de confrences lcole centrale de NantesLaboratoire de mcanique des uides (LMF, UMR CNRS 6598)et Philippe LEMOINEIngnieur de recherche lcole centrale de NantesInstitut de recherche en communications et cyberntique de Nantesomparesnosralisationstechnologiques,lesperformancesdespoissons font rver. Au nombre de celles-ci, on compte leurs prodigieusescapacitsdacclrationpouvantatteindrejusquvingtfoislagravit,leurvitesseexcdant70 km/h,leurextraordinairemanuvrabilit :virage180osansralentiretsurdesrayonsdecourburedelordredudiximedeleurlongueur, tandis que les vhicules actuels doivent ralentir de moiti et prendredesrayonsdecourburedelordrededixfoisleurlongueur.Entermesdef-cacit,leurrendementestdelordrededixfoissuprieurceuxdenosmeilleurs sous-marins, etc. Ces chiffres motivent eux seuls les efforts actuelspourcomprendreetreproduirelessolutionsdespoissonssurnossystmesrobotiques.Danscedomaine,relevantdelabiomimtique,lapremiredesdifcults rencontres est dcrite en ces termes : Reproduire les performances dun poisson par simple imitation de sa forme etde sa fonction serait impossible car la mise au point dun vhicule chissant defaon lisse et continue est au-del des possibilits actuelles de la robotique [1].Aussi le caractre continu des poissons constitue-t-il la difcult essentielle dela recherche dans ce domaine. Cest lobjet de ce projet que de renforcer le bio-mimtisme en ralisant un prototype de robot anguille plus continu que seshomologues actuels. Pour cela, larchitecture mcanique du prototype est basesurlempilementensriedeplates-formesparalllesgainesparunorgane1. Nage de languille .................................................................................... S 7 856 - 22. Conception du prototype....................................................................... 23. Modlisation du prototype.................................................................... 54. Modlisation du contact uide-structure ......................................... 95. Commande................................................................................................. 126. Implmentation informatique .............................................................. 147. Conclusion et perspectives................................................................... 16Rfrences bibliographiques ......................................................................... 16CCe document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_s7856237 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLEPlus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEURROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3D_____________________________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.S 7 856 2 Techniques de lIngnieurcontinuexiblejouantlerledelapeau.Lamodlisationelle-mmesappuiesur des modles dynamiques dits macrocontinus (macro pour macroscopiques)bass sur la thorie des poutres Cosserat actionnes de manire continue.Andatteindrecetobjectif,nousavonsdbutleprojetparunetudebiomcanique.Surlabasedecettetude,laconceptionassistedunemod-lisation macroscopique de type continu (macrocontinue) a t lance et meneenparallledunemodlisationpolyarticuleplusdlelaralittechno-logiquedufuturprototype.Enn,dsledpart,unemodlisationducontactentre le uide et la structure a t initie. Soulignons que nous avons dembleadoptuneapprochehirarchisedemodlisationtantpourlamcaniquedurobotquepourlecontactuide-structure.Surlabasedecesmodlesetsimulateursassocis,lacommandeestencoursdtudeetseraimplmentein ne sur une architecture informatique.1. Nage de languilleDanslanature,onrencontredeuxgrandstypesdepoissons,chacuntantinfoduntypedenage.Lespremierssontditscaranguiformes,cesontlesmeilleursnageurseneaulibre,tellethon.Lessecondssontlesanguilliformes,telleslanguilleetlamurne,dontlescapacitsdemanuvrabilitatteignentdesrecords. Cest ce second type de performance que notre projet veutatteindre.Danscecasdegure,lamanuvrabilit estlersultatdelaredondanceleve(hyperredondance)induiteparlesdfor-mationsducorpsdupoissonrelativementauxdimensionsdelatche(mouvoirsatte).Avanttouteinvestigationtechnique,leprojetadmarrparunetudedelalittraturebiomcaniciennedespoissonsengnraletdelanguilleenparticulier.Chaqueacteurduprojet,selonsesproccupations,aprisenchargeundomainebibliographique.Lesconcepteursonttudilesystme squelette muscles tendons ,lesacteursdelamodlisationet delacommandeonttudilabiomcaniquedelanage,sous laspectdelamcaniquedesuides,ouplusglobalementsousceluidesalluresdelanage.Concernantcedernierpoint,lesdonnes des zoologistes exprimentateurs relatives aux allures denagedelanguillesontaujourdhuirestreinteslalocomotionplaneetseprsententsouslaformedelmsdontsontextraiteslesloisdvolutionendplacementetorientationdesvertbresainsiquecellesdesexionsintervertbralesprenantdansnotreterminologielesensdecourbure.partirdecesdonnes,nousnoussommesattachscaractriseretidentierdesalluressimpliessous-tendantdesparamtragesminimauxdesdfor-mesmisesenjeu.Nousavonspourcelamisjourdesloisdepropagationdondessinusodalesdecourbureprogressivesourtrogradescombinesdescourbures(detangageetlacet). Ande compenser les couplages induits par les courbures, des lois detorsionsontencoursdtude.Surlabasedecesrexions,lacinmatiqueinternedurobotatdcide :ilpourrachirdansles deux plans (lacet/tangage) et se tordre autour de sa colonne. Leprototypecomprendradouzevertbres(soitaumoinstrente-sixdegrs de libert internes), une tte rigide et une queue passive. Latteseramuniedaileronslatraux,mimantlesnageoirespectorales de lanimal, ddis au contrle du roulis et du tangage.2. Conception du prototypeDepuis lorigine de la robotique, les ingnieurs ont constammentadaptleurconceptionauxtechnologiesdisponibles.Pourlesrobots,lorsquelonparledetechnologie,onentendsurtoutlatechnologiedesactionneurs,delinformatiqueoudesmatriaux.Ainsi,enparcourantlhistoriquedescataloguesderobots,onconstatequepourunemmemorphologiederobot,laugmen-tationdelapuissancedesmoteurslectriquesainsiqueleurminiaturisationapermisdansunpremiertempsderemplacerlesmoteurshydrauliquespuisdesimplieretrduirelenombredepicesparlliminationdesparalllogrammesoudesmassesdquilibrage.Dansunautreordredide,laugmentationdelapuissancedesmoyensinformatiquesapermisdimaginerdesstructures mcaniques plus complexes et lintgration de modlesdynamiques.Ainsi,partirdesstructuresmcaniquessimplestellesquedesrobotscartsiensouanthropomorphes,onavuapparatredesrobotsstructuresmcaniquesditesparalllestelles que les plates-formes de Gough-Stewart [2].Pour la conception dun robot anguille, nous devons adapter noscontraintesdestechnologiesmatures.Eneffet,nousaurionspuutiliserdesactionneursmmoiredeformeoudespizo-lectriquessiceux-ciavaientpossdladynamiqueetlapuis-sancedemandespourledplacementdunrobotdansleau.Aussinoschoixsesont-ilsorientsversdesmicromoteurslec-triquescourantcontinuquiontcommeprincipalavantagedepouvoirtrecommandsencouple(ladiffrencedesservo-moteurs).Danslemmeordredide,notreprototypetantuni-taire,nouspouvonschoisirdestechnologiesquiauraienttinadaptespourunefabricationengrandesrie(principalementpourllectronique).Partenaires du projetLobjectifdeceprojet,soutenuparleprogrammeROBEACNRS, est de concevoir, tudier et raliser un robot anguille capable de nager en trois dimensions. Pour cela, nous tudionssurlabasedemodlescontinusmacroscopiques,lespro-blmesdelasimulation,locomotionetcommande.Ltudesappuiesuruneanalysebiomcaniquedelanageetseconcrtise par la ralisation dune plate-forme logicielle et dunprototype.Pouratteindrecesobjectifs,ungroupepluri-disciplinaire dquipes et laboratoires a t form : Musum national dhistoire naturelle (MNHN), laboratoiredichtyologie ; laboratoiredemcaniquedesfluides(LMF)deNantes,divisionsmodlisationnumrique(DMN)ethydrodynamiquenavale (DHN) ; IRCCyN,quipesrobotique,mthodesdeconceptionmcanique et systmes temps rel ; LAG, axe commande et observation ; LIRMM, quipe robotique sous-marine.Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_s7856____________________________________________________________________________________________________ROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3DToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur S 7 856 32.1 Choix de larchitecture mcaniquepartirdeltudebiomcanique,ilatdcidderaliserleprototype par lempilement de douze vertbres ayant chacune troisdegrsdelibertderotation.Pournotretude,lescontraintessuivantes ont t considres : rduireaumaximumlespaceintervertbralafindepouvoirsapprocherlepluspossibledumodlededformationcontinue(figure 1) ; utiliseraumaximumlasectionelliptiquedesvertbres(figure 1) ; quilibrerleplacementdeslmentsmcaniquesafindassurer lquilibre hydrostatique des vertbres ; trouver les mcanismes les plus robustes vis--vis des erreursdassemblage.An de pouvoir loger la mcanique, linformatique et llectroniquedans le corps de languille, nous avons x les dimensions suivantespour chaque vertbre : longueurs des focales 0,18 m et 0,13 m, hau-teur de 0,15 m. Cela revient construire une anguille de plus de 2 mde long lorsque lon tient compte de la tte et de la queue.Surlabaseduneobservationdusystmemusculairedespoissons,onesttentderaliserlesvertbresavecuniquementdesactionneurslinaires.Malheureusement,nousconstatonsquepour de petits encombrements, il existe peu dalternatives robustesauxactionneursrotatifs.Eneffet,pourraliserunetranslation,lamajeurepartiedesactionneurslinairesutiliseunactionneurrotatif,coupluneliaisonhlicodale.Lespertesduesauxfrottementssont,danscecas,nonngligeables.Deplus,deuxinconvnients sajoutent ce type dactionnement : lencombrement : moteur + guidage ; les dbattements rduits.De mme, la ralisation des vertbres partir dune architecturecinmatiquesrielleatcarte.Eneffet,lutilisationdunechanecinmatiquesrielletellequereprsentesurlagure 2pose les problmes suivants : les moteurs sont placs de manire asymtrique ; lecouplageentrelesmoteurs et dechaquevertbrencessite la prsence dun montage complexe pour le transfert descontraintes entre les vertbres ; ledplacementdumoteur entranedesdplacementsdemasses importantes.Finalement, nous avons opt pour une architecture parallle. Cechoix fait, il existe de nombreuses solutions parallles ralisant unpoignet sphrique. Elles sont habituellement classies suivant lesproprits suivantes [3] : symtrique/asymtrique ; isostatique/ hyperstatique ; actionneurs linaires /actionneurs rotatifs.Cependant,etmalgrleseffortsdeclassication,peuderalisations technologiques de liaison rotule parallle existent ce jour. Parmi ces rares prototypes, le plus connu en robotique estprobablement lil agile dvelopp par Clment Gosselin [4]. Cettearchitectureatutilisepourorienterunecamradanslespace(do son nom dil agile) ou comme priphrique haptique [5]. Elleest constitue de trois moteurs rotatifs dont les axes se croisent aucentre de la rotule et de trois pattes comprenant deux pivots cha-cune, dont les axes coupent aussi le centre de la rotule (gure 3). Cesont ces pattes qui ralisent la liaison entre la partie xe du mca-nisme et la camra (respectivement le poignet de lutilisateur).Enn,lorsquelonassembleensrieuntelmcanismerptlidentique,tousleseffortstransitentparlintermdiairedechaqueFigure 1 Dcomposition du corps de languille en vertbresavec leurs dimensions0,15 m0,18 m0,13 mFigure 2 Prototype de robot anguille bassur une architecture compltement srielleFigure 3 il agile dvelopp luniversit Laval de QubecFigure 4 Exemple de poignet sphrique avec le centrede rotation contraint par une articulation passive312312312avec actionneur rotatifb avec actionneur linaire aCe document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_s7856257 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLEPlus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEURROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3D_____________________________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.S 7 856 4 Techniques de lIngnieurmoteur, obligeant renforcer les liaisons pivots de ces derniers. Pourliminerceproblme,nousavonstudiunefamilledepoignetspossdant une rotule passive au centre de la rotation (gure 4).Ainsi,unesolutionentrelilagileetunpoignetparalllequatrepattespeuttreobtenueenmotorisantlapatteportantlarotule.Danscecas,onobtientunepattecentraleconstituedunpivotmotorissuividuncardan.Enaffectantlesdeuxautrespattesaucontrledesdeuxrotationsducardan,onobtientlepoignetreprsentsurlagure 5.Cemcanismeestdrivdumcanisme de poignet dni par Agrawal [6] avec des actionneursrotatifs en lieu et place des actionneurs linaires.Cest cette architecture qui a t retenue. Au nombre de ses avan-tages, remarquons quelle est trs compacte et peut facilement treplace dans la forme elliptique de languille. De plus, la cinmatiquepermet de reproduire, au travers de laction des deux biellettes et, le rle des muscles attachs au squelette et travaillant en addition(dans le sens du lacet, pour la propulsion) et en soustraction (danscelui du tangage, pour la plonge). Le moteur plac sur la pattepermetderaliserlemouvementderoulis.Plusieursvariantesdeplacement des moteurs ont t testes dans le projet (gures 5a, bet c). Cest la solution de la gure 5c qui a t retenue car, dans cecas, laxe des moteurs est colinaire laxe de la plus grande focaledelellipse.Lorsquelanglederoulisestnul,lesdeuxmoteurscoaxiauxfonctionnentalorscommeundiffrentiel.Surlabasedece choix, les modles cinmatique et gomtrique (direct et inverse)de ce robot parallle ont t labors [7]. Pour la commande, seul lemodlegomtriqueinverseestcalcul. Avecnotreconception,ilscritsousformedquationsquadratiques,cequipermetdelersoudre algbriquement. Cet aspect est crucial en raison des puis-sancesdecalcullimitesdescalculateursembarqus.Pourviterque ce moteur ne supporte des efforts axiaux trop importants, nousavons plac deux engrenages parallles dportant le moteur relati-vementlaxevertbrale.Cedispositifpermetaussideplacerunmoteur dont la longueur axiale est importante.2.2 Assemblage des vertbresLe corpsdelanguilleestralisparlamiseensriedesesvertbres.Danscetassemblage,lemplacementdesmoteurs,delinformatique embarque ainsi que de llectronique de puissancedoittreprisencompte.Aprsanalysedesbesoinsdecalculenligne, le choix a t adopt daffecter un microcontrleur deux ver-tbres. Les moteurs contrlant le tangage et le lacet sont cte ctetandis que ceux contrlant le roulis sont en opposition. Ce choix per-metdquilibrerlesmassessurdeuxvertbres.Enn,surchaquesection elliptique sera xe la peau de notre robot. La gure 6 repr-sente la position des diffrents lments dans le prototype.LamodlisationsousCATIAdechaquevertbreapermisdesimulerledplacementdesmoteursetdviterlesinterfrencesentre les pices en mouvement (gure 7).2.3 Conception de la peauLa peau de languille sera xe sur chaque vertbre, lobjectif denotreconceptiontantdassurerlemaintiendecetorganeande raliser un contact continu. La difcult rsulte ici de la tensionentredeuxobjectifscontradictoiresmettantenjeulesdfor-mationsdelorgane.Eneffet,lapeaudoitoffrirunedformationtrsaiseenexion-exion-torsiontoutengarantissantunersistance importante aux pressions du uide. cette difcult deprincipe,sajoutentlesdformationsimportantesquedoitsubirlorgane. En tmoigne la gure 8 relative au plan du lacet. Lorsquelangle de lacet est gal 30o, la courbure extrieure augmente de24 %tandisquelacourbureintrieurediminuede28 %.Andviterquelapeauneplisse,unepremiresolutionseraitdelaprcontraindrelorsquelacourbureextrieureestminimale.Mal-heureusement,silapeauestconstituedunmatriaulastique(caoutchouc,Lycra),sontirementaxialsaccompagneduninvitable rtrcissement transverse (gure 9).Aussilasolutiona-t-elletadoptedesoutenirunetellepeaudunestructuresous-jacente.Cettestructurepourraitparexempletrebasesurlempilementdevertbresintermdiairesvidesconnectespardesanneauxencaoutchouc(gure 9). Aunombredes avantages dune telle solution, on compte, outre la garantie decontinuitencourburerecherche :lesgrandsdbattementsoctroys, la facilit de montage et le faible encombrement radial.Figure 5 Modle des vertbres bas sur une architecture parallle et son placement dans lenveloppe elliptiquezmC1OB1A1123A2C2B2ymyzxxm132OA1A2B1C1B2C2MoteursOA1A2B1C1B2C2MoteursOA1A2B1C1B2C2MoteursbacFigure 6 Organisation des lments mcaniques, de linformatiqueet de llectronique de puissanceContrleur/puissanceMoteurs du roulis Moteurs du tangageet du lacetCe document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_s7856____________________________________________________________________________________________________ROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3DToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur S 7 856 53. Modlisation du prototypeLa modlisation du projet a pour objets essentiels : orienter et dimensionner la conception du prototype ; mettre jour des modles simples ddis la commande ; demanireannexe,produiredesconnaissancesgnralessur la locomotion des poissons.Elle se scinde en deux parties : le solide et le uide . Cha-cun de ces deux volets est ensuite dclin en trois modles hirar-chiques,du macro au micro .Cetteapprochehirarchisenouspermetdematriserlamodlisationduniveauleplusnauplusgrossieretdefairemonteroudescendrelesenseignementsacquisparunniveautouslesautres,avecenlignedemirelaconceptionduprototypeetsacommande.Concernantlevolet solide , la modlisation du prototype se dcline comme suit : modlisation macrocontinue ( 3.1, 3.2, 3.3 et 3.4) ; modlisation polyarticule srielle ( 3.5) ; modlisation polyarticule hybride ( 3.6).Le premier de ces niveaux est ddi ltude des allures de nageetlacommande.Ilestcalsurlanimaletraliseainsilarfrencedu prototypeidal .Quantaudeuxime,ilapourintrtessentielde fairelepont entrelepremierniveauetledernier, qui ralise le modle technologique du prototype.3.1 Modlisation macrocontinueLorsque son nombre de degrs de libert internes est trs lev(cequiestlecasdenotrefuturprototype),ildevientpertinentdemodliser un systme polyarticul de manire continue. Lapprocheici poursuivie sappuie sur la thorie des poutres Cosserat [8]. Souscette hypothse, la poutre est ralise par lempilement continu desections rigides connectes par des liaisons innitsimales prenantle sens dune cinmatique de poutre . Cette approche est, nous lepensons,unevoieprometteusepourltudedeladynamiquedesrobotshyperredondants.Ainsi,silonconsidrecesdernierscommeralissparlempilementsrieldestructuresparallles(cest notre choix), chaque architecture parallle va correspondreune cinmatique de poutre. Certaines, telle la plate-forme rotule, oude Gough-Stewart, ont directement leur quivalent continu dans lathorie des poutres de Kirchoff ou celle de Timoshenko, tandis quedautres ne correspondent au contraire aucune thorie de poutreconnue.Quoiquilensoit,untelrapprochementesttoujourspossible.Danslecasdurobotanguille,lacinmatiqueinter-vertbrale est de type rotule et la thorie des poutres associe estcelledespoutresdeKirchoffinextensibles.Lavantagedecetteapproche,compareauxsolutionsexistantesbasesessentiel-lementsurlesback-bonecurves [9],estquedanslecontextedespoutres,lanalogieentrelessystmespolyarticulsetcontinussepoursuitpaspas,delagomtrieladynamique.Ainsi,lesvertbresdeviennentlessections,lesdformations(courbures,torsion, extension...) tiennent lieu de coordonnes articulaires inter-vertbrales, etc. Sous ces hypothses, le paramtrage de languille,ou prototype idal , est rcapitul sur la gure 10.3.2 Modle dynamique macrocontinuDanslecadreduprojet,nousavonsdoncdansunpremiertempstablilemodlecontinudenotrefuturprototypequenousavonsnomm macrocontinu .Surlabaseduneapprochedetype gomtriquementexacte desmilieuxcontinustellequeproposeparJ.C.SimopourltudenumriquedesmilieuxCosserat [10], nous avons tabli les quations de la dynamique durobot continu via le calcul des variations sur le groupe de Lie SE(3)de ses sections. Le modle obtenu est un systme dquations auxdrivespartiellesrglantladynamiquedurobotsursonespacedescongurationsiciassimilunespacedecourbes(para-mtresparlabscissematrielledelapoutre)danslegroupedeFigure 7 Modlisation CATIAFigure 8 Lien entre le rayon de courbure de languilleet langle de lacetFigure 9 Dformation de la peau sans armature et armature proposeRayon de courbureCourbure extrieure0,075 mCourbure intrieureOACBRayon de courbure (m)0 10 20 3000,20,40,60,811,21,4Angle de lacet ()A BC DCe document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_s7856277 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLEPlus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEURROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3D_____________________________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.S 7 856 6 Techniques de lIngnieurLie SE(3) des dplacements de ses sections. Ce jeu dquations estrapportci-aprs.Ellesfontintervenirdestenseursdpendantdelespacemaisaussidutempst etlonconvientdenoterparunpoint loprateur / t et par un prime loprateur / X . quations dquilibre (la longueur de languille est normalise) :X ]0,1[ :(1)avec masse volumique de languille, A, I aireettenseurdinertiedelasectiondelanguille,,vitesseetacclrationangulairedelasection,acclration linaire de la section, n rsultante des forces internes appliques lasection,t1normaleunitairelasection(tangentelacolonne),fuide, Cuideforceetmomentexercsparleuidesurlasection ( 4),ces quantits tant toutes relatives une section tiquete parson abscisse curviligne X compte en partant de la tte le long de lacolonne vertbrale.Tous ces tenseurs sont exprims dans la base xe du rfrentielterrestreexceptlesuivant,exprimdanslerepremobiledelasection :M rsultantedesmomentsinternesappliqus la section (couples de commande),et li au repre fixe par :R oprateurderotationdelasectionparrap-port au repre fixe.Cesquationsdoiventtrecompltesdedeuxquationsdecontrainte,lunetraduisantlaloidecourbure-torsionimposeparlesliaisonsintervertbrales,lasecondeimposantlinextensibilitde la colonne vertbrale. quations de contrainte :K = Kd (t ) (2) t1 = 0 (3)avec Kdvecteurdecourbure-torsiondsirexprimdanslerepre mobile des sections.Finalement,lessolutionsdecettequation (1)sontspciespar les conditions limites en tte et queue de languille. Conditions aux limites :(4)(5)o fuide ,0modliselarsultantedeseffortsduuideexercesurlattedelanguille,touteslesautrescontri-butions tant supposes nulles.3.3 Algorithmes continusDansleursprincipes,lesquationsprcdentessufsentrsoudreleproblmedirectdelasimulationquisersumeiciconnatrelesacclrationsdessectionspartirdescouplesinter-vertbrauxetdeltatdurobot.Lapprocheseraitalorstypi-quement de type lments nis gomtriquement exact [11]. Enfait,cestleproblmeinversequiarclamnotreattention.Cesecond problme consiste calculer, connaissant les acclrationsintervertbrales et ltat du robot, les couples intervertbraux ainsiquelesacclrationsdelattedelanguille.Andersoudreceproblme,mieuxadaptlarecherchedalluresquelepremier,nous avons opt pour une solution totalement diffrente des habi-tudesdelamcaniquenonlinairedesstructures.Pourappr-hendercettesolution,ilsuftderaliserquelesquationsauxdrivespartiellesdelapoudreCosseratsontenfaitlaversioncontinuedesquationsdeNewton-Eulerdunmanipulateurpolyarticulsriel (3.4).Ainsi,encompltantcesquationsFigure 10 Paramtrage continu de languillet30t3 (X)E3E3E2E2E1E1FX (t )FX (t = 0)FgG (X)G (X)t2 (X)drRt1 (X)t20t10r0R00tO0OF0Re0: configuration de rfrence (non dforme)t: configuration courante (dforme)Fg = (O, E1, E2, E3) : repre fixe galilenF0 = (O0, t10t20, t30) : repre mobile li la tteG(X): centre de masse de la section XFX(t) = (G(X), t1(X), t2(X), t3(X)) : repre mobile l'instant t attach la section XR0: rotation appliquant Fg sur F0R : rotation appliquant Fg sur FX(t)Re: rotation appliquant F0 sur FX(t)r0: position de O0 par rapport Fgr : position de G(X) par rapport Fgre: position de G(X) par rapport O0d : dplacement de G(X) entre t = 0 et tArI I ( ) + nRM ( ) t1n + ffluideCfluide = +..r..r n 0 ( )M 0 ( ) ffluide,00 =n 1 ( )M 1 ( ) 0 0 =Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_s7856____________________________________________________________________________________________________ROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3DToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur S 7 856 7dynamiquesdesmodlesgomtriqueetcinmatique(envitesseetacclration),onfabriqueunjeudquations,pendantcontinudesmodlesdeNewton-Eulerdiscrets.Cesmodlestraduisentlacinmatique continue de languille. Modle gomtrique En orientation :(6)R (0) = R0(7) En position :(8)r(0) = r0(9) Modle des vitesses En orientation :(10)(0) = 0(11) En position :(12)(13) Modle des acclrations En orientation :(14)(15) En position :(16)e (0) = 0 (17)avec lestenseursindexsparzrorelatifslatte(X = 0), letenseurantisymtriqueassociauvecteurdecourbure-torsion dsir Kd,E1le premier vecteur de la base xe, et eles acclrations des sections prives des contri-butions , 0 apportes par la tte.Restequenplusducaractrecontinudecesnouvellesqua-tions, elles se distinguent de celles des manipulateurs discrets parle fait que la base est ici remplace par un corps mobile : la tte delanguille. Il sen suit que la dynamique de la tte de languille doitaussitreajoutelaformulationprcdenteandelarendresolvable. Pour tablir cette dynamique, un calcul des variations estencorepossiblemaisappliqucettefoissurlespacedescongurationsdurobotidentiaubrSE (3) S,oS estlespace des formes internes du robot (shape space ), ici ralis parunespacedecourbes(paramtresparlabscissematrielledelapoutre)danslalgbredeLieSE(3).Cesquationsseprsententcomme suit :(18)ogurentdegauchedroiteletenseurdinertiedelanguillecomplterapportsonextrmit(cttte),cest--direX = 0,levecteurdesacclrationslinairesetangulairesdelatte,levecteurdesforcesdinertie(Coriolis,centrifugesetacclrationsinternes du corps) et enn le vecteur des rsultantes des forces etmomentsexercsparleuidesurlecorpsetrapportaupointX = 0 ( 5).Finalement,unefoiscestroisjeuxdquations[quationsauxdrivespartiellessurlecorps (1),dynamiquedelatte,modlescinmatiques(7)(17)]enmain,nousavonsappliquuneappro-chedetypeNewton-Eulerandersoudreleproblmeinverse.Lalgorithmepropos [12]nestniplusnimoinsquuneextensiondelalgorithmedeLuh-WalkeretPaulauxrobotscontinusavecbasemobile [13].Outrecedernieraspect(aussipartagparlesmodlespolyarticuls (3.5)),lalgorithmesedistinguedesaversiondiscrteparlefaitquelesrcurrencesarrire(surlesefforts)etavant(surlesquantitscinmatiques)sontremplacespardesquationsdiffrentiellesordinairesenespaceintgreschaque pas de temps de la simulation.3.4 Rsultats de la simulationGrcelalgorithmeinversemacrocontinu,plusieursallures3Dont pu tre tudies. En combinant les courbures de tangage et delacet,onpeutparexemplefabriquerdesplongesenspirale(gure 11) ou droites (gure 12). Dans ces essais, le modle ducontact est de type masses (inerties) ajoutes et forces-couples detrane ( 5).3.5 Modle polyarticulLes deuxime et troisime tages de la modlisation mcaniquedurobotconsidrentcederniercommeunsystmepolyarticul.Aussipasse-t-ondelamodlisationcontinuedupoisson,ou prototype idal , celle de la ralit technologique du prototypeR RKd=r RE1= RKd=r r =r0 ( ) r0=eRKd RKd + =..e0 ( ) 0 = eer r ( ) + =Kde0Ir00 feCe +ffluideCfluide =..Figure 11 Plonge en spiraleFigure 12 Plonge droiteCe document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_s7856297 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLEPlus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEURROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3D_____________________________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.S 7 856 8 Techniques de lIngnieurhybride(sriel/parallle)via unmodlesimplidetypesriel.Cest ce deuxime modle que nous dtaillons prsent.3.5.1 Modle polyarticul srielDanscetteoptique,nousconsidronsquelerobotanguilleestcomposden corpsrigidesconnectsensriepardesarticula-tionsdetyperotule.Chaquearticulationatmodlisepartroisarticulationsrotodesdaxesconcourants,lesdeuxpremiresarticulationssupportantdescorpsctifsavecmasseetlongueurnulles. Le troisime corps est constitu dun cylindre dune sectionelliptique proche de la forme retenue pour le prototype.La description de la gomtrie du robot est ralise par les nota-tionsdeKhaliletKleinnger [14]courammentutilisespourdcrirelesrobotsmanipulateurs(gure 13).Lastructureestcomposeden + 1corpsnotsC0,...,Cnetden articulations.Lecorps C0dsignelattedurobotetlecorpsCnreprsentesaqueue. Larticulation j connecte le corps Cjau corps Cj1. On dnitun repreRjx au corpsCj.Le repre Rjest dni de sorte que : laxe zjsoit port par laxe de larticulationj ; laxe xjsoitportparlaperpendiculairecommuneauxaxeszjet zj+1.LamatricedetransformationentrelerepreRj1etlerepre Rjsexprime en fonction des paramtres suivants : jlangle entrezj1et zjautour dexj1 ; djla distance entrezj1et zjsuivant xj1 ; jlangle entrexj1et xjautour dezj ; rjla distance entrexj1et xjle long dezj.La variable de larticulationj est donne par :j = qj + q0j(19)avec q0jun offset.On obtient :(20)Les paramtres gomtriques de languille qui est compose dedouzerotules,donctrente-sixarticulationsrotodes,sontdonnsdans le tableau 1.(0)3.5.2 Modle dynamique inverseConcernantlamodlisationdynamique,nousavonsdvelopples modles dynamiques inverse et direct de cette structure pour lanageen3D.Lesmodlesonttobtenuspardesalgorithmesrcursifs qui utilisent les quations de Newton-Euler. Dans la suite,nousprsentonslalgorithmedumodledynamiqueinversequifournitlescouplesarticulairesetlessixcomposantesdelacc-lration,detranslationetrotation,delatteenfonctiondesvolutions dsires de position, vitesse, acclration des variablesarticulaires.Cetalgorithmeestfacilecrireetilestbeaucoupplussimpleobtenirquetouteautresolutionlagrangiennetelleque prconise par les chercheurs amricains et japonais et ddie la nage plane.Lalgorithmedumodledynamiqueinverseestfondsurtroisrcurrences. Rcurrence avant pour j = 1,...nDanscettercurrence,oncalculeles vitesses des corps par les relations suivantes :(21)(22)avec matrice de rotation (3 3) du repre Rjpar rapport aurepre Rj1,vecteur(3 1)dnissantlapositiondeloriginedurepre Rj dans Rj1,torseurcinmatiqueducorpsj,quiregroupelavitesse de translation et la vitesse de rotation,toutes deux exprimes dans Rj :(23)matrice (6 1) dnie par :(24)avecjaj= [0 0 1]TDans cette rcurrence, la vitesse de la tte est suppose connue.Oncalculegalementleslmentsdesacclrationsetdeseffortsquinefontpasintervenirlesacclrationsdelatte(inconnues), ce qui revient calculer :(25)Figure 13 Description gomtrique de deux vertbres conscutives de la structure srielle de languillex6x3z6z5z2z4 , x5z1 , x2d1r3z0zwxwywx0x1y0z3 , x4y6Tj1jTj1jTj1jCjSj0 djCjSjCjCj Sj rjSjS jS jS jCjCjrjCj0 0 0 1=Tableau 1 Paramtres gomtriques de languillej jdj jrjq0j1 0 0,4 10 02 /2 0 20 /23 /2 0 30,14 /24 /2 0 40 /2... ... ... ... ... ...35 /2 0 350 /236 /2 0 360,14 /2jj1Rjj1 Rjj1Pj1j03 3 Rjj1=jjjj1j1j1qjjj+ =Rj 1 jPj1jjjVjjjjjVjTjTT=jjjj03 1 ajj=jjRjj 1 j 1 j 1 j 1 j 1 Pj 1 j jj 1 qjajjqjj+ =..Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_s7856____________________________________________________________________________________________________ ROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3DToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.Techniques de lIngnieur S 7 856 9et :(26)avec forcesextrieuresexercesparlecorpsj surlenvi-ronnement,matrice (3 3) dinertie du corps j dans Rj,vecteur (3 1) des premiers moments du corps j. Rcurrence arrire pour j = n 1,...0Danscettercurrence,oncalculeleslmentssuivantsquipermettent de dterminer lacclration de la tte :(27)(28)estlamatricedinertiespatiale(6 6)ducorpsgnralisj,qui reprsente le corps compos des corpsj = 1,...n :(29)(30)avec :(31)Mjest la masse du corpsj. On initialise cette rcurrence par :(32)(33)Finalement, lacclration de la tte se calcule par :(34) Rcurrence avant pour j = 1,...nDans cette rcurrence, on calcule les efforts exercs par le corpsj 1 sur le corps j, not, et le couple du moteur j en utilisant lesquations suivantes :(35)(36)(37)Ce modle a t simul en 3D [15] aprs avoir pris en compte lesforcesdecontact (5).Lesystmesimulestcomposdedouzemodules,donctrente-sixarticulationsrotodes.Lesrsultatsdesimulation,unefoiscomparsceuxlivrsparlemodlemacro-continu,onttutilisspourdimensionnerlesactionneursduprototype.3.6 Modlisation polyarticule hybride Dans ce cas, le robot anguille est compos de n modules paralllesconnectsensrie.Laplate-formedechaquemoduleparalllecomporte trois degrs de libert en rotation par rapport sa base.Cettestructurehybride,puisqulafoissrielleetparallle,reprsente celle retenue pour le prototype ( 2). Sur la base de cesmodles gomtrique et cinmatique, la modlisation cinmatiquedu robot est ralise par des formules rcursives gnralisant cellesdes robots srie. La dynamique de cette structure hybride est fondesurlutilisationdersultatsdemodlisationdelquiperobotiquede lIRCCyN dans dautres projets ROBEA, savoir le projet MAX etle projet MP2. Dans ces projets, nous avons dvelopp la dynami-quedunrobotparallle [16],ainsiquelamodlisationdunrobothybride gnral avec une base xe. Pour le robot anguille, on doitaussi tenir compte du caractre mobile de la base (ici assimile latte). Lalgorithme srie a t gnralis pour ce cas en utilisant laforme explicite du modle dynamique dun seul module. Cest ainsique nous disposons actuellement des modles dynamique inverseetdirectduprototype(hybride).CesalgorithmessontfondssurlalgorithmercursifdeNewton-Euler.Lalgorithmegnralatsimpli an de ngliger les inerties des biellettes ( 2.1) devant cel-lesdesvertbres(plates-formes).Cetalgorithmeestactuellementen cours dimplantation sous MATLAB-Simulink. Il devrait permet-tre dtudier la ottabilit et la commande du robot avec un degrde dlit inaccessible ses deux concurrents.4. Modlisation du contact uide-structureCommeannonc,lamodlisationducontactuide-structureprocde galement selon trois niveaux hirarchiques, du plus sim-ple au plus sophistiqu. Avant dentrer dans les dtails de ces troisniveaux,ilestimportantdenoterque,contrairementlamodli-sationsolide,cellesduuideetdesoninuencesurlanagedelanguille ne peuvent trouver de solution aussi satisfaisante . Eneffet,languille,commetoutautrepoisson,utiliseactivementlesphnomnes instationnaires, tels que les vortex quelle lche danssonsillage,demanire optimiser lerendementdesapro-pulsion.Or,lesmodlesetsimulateursassociscesproblmesdoptimisationdelapropulsionduncorpsdformableplongdansunuidesontcejourunsujetmergentdelamcaniquedes uides. Voici prsent les trois niveaux de la modlisation ducontact et leur fonction dans le projet : modles stationnaires ( 4.1) : ce sont des modles explicitessimplifis ddis la commande et la simulation rapide ; modles de fluide parfait ( 4.2) : ils assurent le lien entre lesniveaux1et3etrendentcomptedelinfluencedeslchersdevortex sur la nage (phnomnes de synchronisation, etc.) ; modlesdeNavier-Stokes (4.3) :cesontlesmodleslesplusfidleslaralitdufluide.Ilsconstituentlesoclederf-rencedetoutetentativedemodlisationsimplifieducontactfluide-structure.4.1 Modles stationnairesLes modles de contact dits stationnaires ne tiennent pas comptede lvolution de lcoulement autour de languille. Ils sont de ce faituniquement dpendants du mouvement relatif des sections par rap-port au uide et, de par leur simplicit, constituent une alternativepertinentepourlesbesoinsdelacommandeetdelasimulationrapide.LamodlisationCosserat (3)fournituncadrenaturelltablissementdecesmodles.Eneffet,toutchampdeforcesextrieures doit dans cette thorie tre modlis par un champ detorseurappliqulelongdelapoutre(sectionparsection).Aussiavons-noustoutdabordtabliunmodledecestorseurstenantcomptedesforcesetcouples(deroulis)detraneainsiquedesforcesetcouples(deroulis)induitspardesmassesetinertiesajoutes.Finalement,lemodlestationnaireducontactapparatcommeuneextensiondumodledeMorisondescblessous-marinsdformables,ici,aucasduncbledesectionelliptique [17]. Enn, il est important de noter que la loi de contactestcritedanslesrepresmobilesdessectionsetquentantquejjje jjjjjMjSj jjJjjjj+ =je jJjjMSjjj +jjjj 1 + Tjj 1 + +j 1 +j 1 +j+ =j +jjjj 1 + Tjj 1 + +j 1 +j 1 + Tjj 1 + +j 1 +j 1 +j 1 ++ + =j +jj +jjjj 1 + Tjj 1 + +j 1 +j 1 +j+ =j +jjjj 1 + Tjj 1 + +j 1 +j 1 + Tjj 1 + +j 1 +j 1 +j 1 ++ + =jjMjI3 MSjjMSjjJjj=n +nnn=n +nnn=000 +0( )1 0 +0=fjjjjjj 1 j 1 j 1 jj+ =jjfjjmjjj +jjjj +j+ = =jj Tjjj=Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 - // pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129Ce document a t dlivr pour le compte de 7200034092 -// pierre THOUVEREZ // 217.109.84.129 tiwekacontentpdf_s7856317 RPONSES AUX DFIS SCIENTIFIQUES DU 21ME SICLEPlus de contenu, dactualits et dinformations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE LINGNIEURROBOT ANGUILLE SOUS-MARIN EN 3D _____________________________________________________________________________________________________Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.S 7 856 10 Techniques de lIngnieurtelle,ellenedpendquedespropritsduuide,dunombredeReynoldsetdelagomtrieelliptique.Nanmoins,larsultantede cestorseurs(section/section)estensuitetransportedanslerepre de la tte, intgrant ainsi linuence de la dforme globaledu corps dans le modle nal.4.2 Modles de type uide parfaitCe deuxime modle vise essentiellement tablir un lien entrele modle stationnaire et le modle le plus rafn du uide donnpar les quations de Navier-Stokes. Le contact est dans ce cas ins-tationnaireetdoncdduitdelintgrationnumriquedelcoule-ment autour du robot. An de limiter les temps de calcul, un modlede uide parfait incompressible est adopt. Dans ces conditions, lechamp de vitesse de lcoulement est rgi par lquation de Laplacede son potentiel sous les conditions aux limites de non-pntrationdu uide dans le solide et le repos du uide linni (ce que noussupposons). Les hypothses du uide parfait permettent dintgrernumriquementlcoulementpartirdunemthodedetype intgraledefrontire .Danscettemthode,desfonctionshar-moniques singulires sont places sur les frontires et calcules chaquepasdetempsandesatisfairelesconditionslimitesainsique diverses conditions lies au sillage tourbillonnaire de languille,tellesquecelledeKuttaoulethormedeKelvin.Cesmodles,actuellement en cours de dveloppement, seront mis contributionandidentiernosmodlesstationnairesaprsquilsontteux-mmescalsparlesmodlesdeNavier-Stokes.Enn,ilsser-vironttudierlinuencedeslchersdevortex(gure 14),ph-nomne essentiel la nage.Lagure 14 rvleleslchersdevortexdanslesillagedelanguille.CesvortexlchsalternativementsontdecirculationopposeetralisentainsiunealledeVonKarman.Cetteallegnre un jet en arrire qui, par raction, propulse lanimal en avant.4.3 Modles complets : quationsde Navier-StokesLessimulationsparrsolutiondesquationsdeNavier-Stokesontpourobjectifessentieldefournirunebasededonnesderfrenceandevaliderlesmodlessimplisexpossprc-demment.LescalculssonteffectusaveclecodeISISdelquipemodlisationnumriqueduLMF.Bassurunediscrtisationfortementconservativedetypevolumesnisnonstructursavecunnom