Un robot fonctionne toujours de la même façon : des capteurs mesurent ce qui l'entoure, un microcontrôleur (un petit ordinateur tenu dans une seule puce) décide en suivant ton programme, et des actionneurs, comme les moteurs, agissent. Prends un robot éviteur d'obstacles : son capteur à ultrasons mesure 12 cm jusqu'au mur, le programme applique la règle « si la distance est inférieure à 15 cm, alors recule », et les moteurs reculent. Construire le robot, c'est relier ces trois parties ; le programmer, c'est écrire la règle qui fait passer de la mesure à l'action.
Mesurer, décider, agir
Définition : un robot est un système automatique qui perçoit son environnement avec des capteurs, décide avec un programme et agit avec des actionneurs, sans qu'un humain le commande à chaque instant.
En technologie, on décrit ce fonctionnement avec deux chaînes, et chaque étape porte le nom d'un verbe. La chaîne d'information transporte les données : elle acquiert, traite, puis communique (on dit aussi transmettre). La chaîne d'énergie fait bouger le robot : elle alimente, distribue, convertit, puis transmet.
| Chaîne | Fonction | Sur un robot à roues |
|---|---|---|
| Information | Acquérir | capteur à ultrasons, capteur de ligne, bouton |
| Information | Traiter | microcontrôleur |
| Information | Communiquer | ordre envoyé à la chaîne d'énergie, afficheur |
| Énergie | Alimenter | batterie ou piles |
| Énergie | Distribuer | carte de commande des moteurs |
| Énergie | Convertir | moteur électrique |
| Énergie | Transmettre | engrenages, roues |
Piège classique : le microcontrôleur donne l'ordre, mais le courant qu'il fournit est bien trop faible pour faire tourner un moteur. C'est la carte de commande qui laisse passer l'énergie de la batterie. Le microcontrôleur « traite », dans la chaîne d'information, jamais dans la chaîne d'énergie.
Les capteurs : ce que le robot mesure
Un capteur transforme une grandeur physique (une distance, une lumière, un appui) en signal électrique que le microcontrôleur sait lire.
Le capteur à ultrasons mesure une distance. Il émet un son trop aigu pour ton oreille (au-dessus de 20 000 Hz, d'où le nom d'ultrason), qui rebondit sur l'obstacle et revient. Il chronomètre cet aller-retour, et la distance s'en déduit avec la vitesse du son dans l'air, environ 340 m/s.
Piège classique : la durée mesurée est celle de l'aller-retour. Si l'écho revient au bout de 0,004 s, le son a parcouru 340 × 0,004 = 1,36 m, mais l'obstacle n'est qu'à la moitié : 0,68 m, soit 68 cm. Oublier de diviser par 2 place l'obstacle deux fois trop loin.
Le capteur de ligne regarde le sol. Il l'éclaire avec une diode infrarouge, une lumière invisible pour toi, et mesure ce qui revient : une surface blanche renvoie beaucoup de lumière, une ligne noire presque rien. Le programme en tire « clair » ou « sombre », et cela suffit pour suivre un tracé.
Certains capteurs donnent un nombre, comme la distance. D'autres n'ont que deux états : un bouton est appuyé ou relâché. Une information à deux états s'appelle un booléen : elle vaut vrai ou faux.
Les actionneurs : ce qui le fait bouger
Un actionneur reçoit un ordre et le change en action, le plus souvent en mouvement. Sur un robot à roues, les principaux sont les deux moteurs électriques, qui convertissent l'énergie électrique en rotation.
Ton robot n'a pas de volant. Pour tourner, il fait tourner ses deux roues à des vitesses différentes : la roue la plus rapide se retrouve à l'extérieur du virage. Roue droite plus rapide que la gauche, il part vers la gauche ; roues en sens contraires, il pivote sur place.
Le servomoteur, lui, ne tourne pas en continu : il se place à l'angle demandé par le programme et y reste, ce qui sert pour une pince ou un bras.
Construire le robot et tester chaque pièce
En classe, le robot se monte à partir de pièces fournies : un châssis, deux moteurs et leurs roues, une carte avec le microcontrôleur, une batterie et des capteurs.
Étape 1 : Repère chaque pièce et sa fonction (acquérir, traiter, alimenter…) avant de visser quoi que ce soit.
Étape 2 : Fixe chaque capteur là où il voit ce qu'il doit voir : les ultrasons vers l'avant, sans câble devant, le capteur de ligne sous l'avant, près du sol.
Étape 3 : Branche chaque câble sur le port indiqué par la documentation, car le programme cherchera le capteur sur ce port précis.
Étape 4 : Teste chaque élément seul avec un petit programme : un moteur qui tourne deux secondes, un capteur dont tu affiches la valeur.
Tester pièce par pièce t'évite de chercher la panne partout le jour où le robot complet ne marche pas.
Programmer : événement, boucle, condition
Avant de toucher un bloc, écris en phrases ce que le robot doit faire : c'est l'algorithme, une suite d'instructions qui résout le problème. Le programme est cet algorithme traduit pour le microcontrôleur. Au collège, tu programmes avec des blocs à emboîter, puis en fin de 3e tu fais le lien avec un programme écrit en texte.
Un programme de robot démarre sur un événement (une action qui le déclenche), comme l'appui sur un bouton. Une boucle « répéter indéfiniment » refait ensuite les mêmes instructions sans arrêt : c'est elle qui permet au robot de surveiller ses capteurs. Dans la boucle, l'instruction conditionnelle choisit : si la condition est vraie, le robot fait une chose, sinon une autre. Voici l'éviteur d'obstacles en langage naturel :
Quand le programme démarre
Répéter indéfiniment
Si distance < 15 cm alors
reculer pendant 0,5 s
tourner à droite pendant 0,5 s
Sinon
avancerRange les nombres de réglage dans des variables. Une variable est une case de la mémoire qui porte un nom et garde une valeur : avec seuil = 15, tu changes le seuil à un seul endroit. Les conditions se combinent avec ET, OU et NON : « gauche voit noir ET droite voit noir » n'est vrai que si les deux le sont.
Ces notions sont celles du programme de technologie du cycle 4 : événements, boucles, conditions, variables, programmation par blocs, puis sous-programmes en 3e.
Piège classique : un test placé hors de la boucle n'est fait qu'une fois, au démarrage. Le robot voit la voie libre, met ses moteurs en marche et ne regarde plus jamais devant lui : il fonce dans le mur. Tout test qui surveille un capteur va dans la boucle.
Conseil : pour mettre au point ton programme, change un seul réglage à la fois (le seuil, la durée du virage), puis relance. Sinon, quand ça va mieux, tu ne sais pas quel changement a servi.
Exercices corrigés
Du plus direct au plus proche d'un contrôle. Cherche chacun sur ta feuille avant d'ouvrir la correction.
Exercice 1 : Un robot éviteur d'obstacles contient un capteur à ultrasons, une batterie, un microcontrôleur, une carte de commande des moteurs, deux moteurs, des engrenages et un afficheur. Pour chaque pièce, donne sa chaîne (information ou énergie) et sa fonction.
Correction :
Chaîne d'information : le capteur à ultrasons acquiert la distance, le microcontrôleur traite (il compare et décide), l'afficheur communique une information à l'utilisateur.
Chaîne d'énergie : la batterie alimente, la carte de commande distribue l'énergie aux moteurs sur ordre du microcontrôleur, les moteurs convertissent l'énergie électrique en mouvement, les engrenages transmettent ce mouvement aux roues.
Exercice 2 : Le capteur à ultrasons d'un robot reçoit l'écho 0,0006 s après avoir émis le son. La vitesse du son dans l'air vaut 340 m/s. Le programme fait reculer le robot quand la distance est inférieure à 15 cm.
a) À quelle distance se trouve l'obstacle ? Donne le résultat en centimètres.
b) Le robot recule-t-il ?
Correction :
a) Pendant 0,0006 s, le son parcourt 340 × 0,0006 = 0,204 m. C'est l'aller-retour : l'obstacle est à 0,204 ÷ 2 = 0,102 m, soit 10,2 cm.
b) 10,2 cm est inférieur à 15 cm : la condition est vraie, le robot recule. Sans la division par 2, tu aurais trouvé 20,4 cm et conclu à tort qu'il continue d'avancer.
Exercice 3 : Un robot est posé face à un mur, à 1 m de lui, avec ce programme :
Quand le programme démarre
Si distance < 15 cm alors
arrêter les moteurs
Sinon
mettre les moteurs en marche avantLe robot avance et percute le mur. Explique pourquoi, puis corrige le programme.
Correction :
Au démarrage, la distance vaut 100 cm : la condition est fausse, donc les moteurs se mettent en marche avant. Ensuite, il n'y a plus aucune instruction : le test n'est jamais refait, et les moteurs gardent le dernier ordre reçu jusqu'au mur.
Pour corriger, place le « si… sinon » dans un bloc « répéter indéfiniment » : le test est refait sans arrêt, et le robot s'arrête dès que la distance passe sous 15 cm.
Exercice 4 : Un robot suit une ligne noire sur fond blanc. Il a deux capteurs de ligne, un à gauche et un à droite de la ligne : quand il est centré, les deux voient du blanc. L'arrivée est une large bande noire en travers, sous les deux capteurs à la fois. Écris en langage naturel l'algorithme qui le fait avancer tout droit quand il est centré, se recentrer quand il dérive et s'arrêter sur l'arrivée.
Correction :
Si le robot dérive vers la droite, la ligne passe sous son capteur gauche : il doit revenir à gauche, donc faire tourner sa roue droite plus vite que la gauche. C'est l'inverse quand le capteur droit voit noir.
Sur l'arrivée, les deux capteurs voient noir en même temps : c'est une condition avec ET. Elle se teste en premier, sinon le robot prendrait la bande pour un virage à gauche.
Quand le programme démarre
Répéter indéfiniment
Si gauche voit noir ET droite voit noir alors
arrêter les moteurs
Sinon si gauche voit noir alors
tourner à gauche
Sinon si droite voit noir alors
tourner à droite
Sinon
avancer tout droitÀ retenir
À retenir :
- Les capteurs mesurent, le microcontrôleur décide en suivant le programme, les actionneurs agissent.
- Chaîne d'information : acquérir, traiter, communiquer. Chaîne d'énergie : alimenter, distribuer, convertir, transmettre.
- Le microcontrôleur donne l'ordre ; l'énergie des moteurs vient de la batterie.
- Capteur à ultrasons : distance = vitesse du son × durée ÷ 2.
- Pour tourner, le robot fait tourner ses deux roues à des vitesses différentes.
- Un programme de robot : un événement, une boucle infinie, des conditions à l'intérieur.
Sources
- Programme de technologie du cycle 4, Bulletin officiel n° 9 du 29 février 2024 : texte sur education.gouv.fr.
- Fiche de synthèse de 5e « Fonctions, solutions, constituants de la chaîne d'information et de la chaîne d'énergie » : ressource publiée sur éduscol STI.