L’exploration de l'environnement

Pourquoi explorer l’environnement ?

Parce que c’est une façon d’apprendre à le connaître et parce que c’est une opportunité de comprendre son évolution, en analysant son état, et de trouver quelques points de repère ou grandeurs à mesurer qui en rendent compte.

Il y a donc une raison principale, qui est aussi une préoccupation des jeunes générations face aux pollutions et aux dérèglements climatiques : essayer de savoir ce que l’on peut faire pour enrayer les processus destructeurs de l’environnement et aussi trouver ce qui favorise son amélioration.

Ce qui appelle une réflexion dans plusieurs dimensions :

Écologique tout d’abord, avec l’appréhension du monde du vivant et de ce qui l’entoure, des phénomènes qui l’influencent et des êtres vivants qui l’impactent. Il ne s’agit pas uniquement de mesurer avec des boîtiers bardés de capteurs, mais d’observer, de filmer et de photographier avec une possibilité de déclencher automatiquement les prises de vue et de reconnaître tout aussi automatiquement ce qu’elles révèlent.
Historique, à partir des chroniques de données collectées patiemment et rigoureusement en des lieux précis et avec des instruments dont on connaît...

Où et quoi explorer et mesurer ?

Le champ est très large. Du fond de son jardin aux montagnes du Népal en passant par l’étang d’à côté, les lieux d’exploration sont nombreux. C’est l’intérêt qu’il y a à explorer telle ou telle partie du globe qui doit guider cette recherche et définir les moyens de le faire.

Explorer la faune et la flore à l’aide d’un rover discret et se déplacer lentement pour ne pas effrayer sa cible et capturer des images saisissantes est une activité qu’ont bien assimilée les photographes animaliers dont ce fut probablement les premières expériences avec des robots. Le rover réalisé avec le kit Ultimate de Makeblock présenté dans le chapitre Des applications pour de futurs ingénieurs, techniciens et scientifiques peut évoluer doucement sur pratiquement tous les terrains et capturer des images ou des vidéos d’excellente qualité. La limite est donnée par la portée du signal entre la tablette ou le smartphone qui le commande et le module récepteur sur le robot. Mais elle peut être contournée à l’aide d’une liaison radiocommandée.

Explorer de la même façon le milieu aquatique est d’un intérêt certain, vu le rythme d’évolution...

Explorer, filmer et photographier

1. Filmer avec une caméra GoPro ou une CamPi

Le choix de la caméra ou de l’appareil photo est de moins en moins difficile et se résume à deux possibilités :

Filmer et prendre des photos avec une caméra du commerce. Le modèle GoPro en est un exemple puisqu’il permet de filmer à distance via une liaison Wi-Fi ou Bluetooth, avec en plus l’intérêt d’être étanche pour les derniers modèles et de disposer de plusieurs accessoires permettant de nombreuses fixations. C’est le choix qui a été fait dans un premier temps pour le rover explorateur dont la nacelle était équipée par une caméra de ce type et qui a donné entière satisfaction.
Utiliser une caméra montée sur un nano-ordinateur. C’est ce que permet la CamPi montée sur un Raspberry Pi. Qui plus est, elle existe également dans une version dépourvue de filtre infrarouge, la version NoIR, qui permet des prises de vue en très basse lumière, avec un éclairage de la scène par des LED infrarouges.

Des précautions sont à prendre dans le second cas, notamment pour l’étanchéité et le positionnement de la caméra par rapport au circuit. En effet, la liaison est réalisée par une nappe souple, assez...

Une station embarquée avec Makeblock

Il s’agit ici de créer, avec MakeBlock, une station mobile, équipée d’un module de commande puissant et de capteurs pouvant mesurer la qualité de l’air, et capable de se déplacer dans une pièce, par exemple. Les kits de Makeblock permettent de construire un châssis et de le télépiloter.

1. Réaliser une station mobile d’ExAO avec Ultimate 2.0

Le choix du module Auriga est un plus dans la mesure où il est équipé de capteurs de température et de luminosité qui donnent une idée de l’environnement sans qu’il soit besoin d’en ajouter, ce qui simplifie le montage.

Une station mobile d’ExAO réalisée avec le kit Ultimate 2.0 de Makeblock et un module de commande Auriga

Petit inconvénient à corriger rapidement dans le programme de pilotage ou en dernier ressort lors de l’exploitation des données : le capteur de température est placé trop près du processeur, et comme la plupart des capteurs placés sur une carte (SenseHat et Pysense n’échappent pas à cette fatalité de conception), il fournit une mesure qui est 2 °C à 3 °C au-dessus de la température ambiante. Une correction est nécessaire.

La couronne de LED RGB de l’Auriga est un excellent moyen de restituer visuellement une indication de la mesure selon le niveau de la température mesurée. Il est ainsi possible de restituer un effet de jauge des plus esthétique.

L’Auriga offre six ports pour la connexion du capteur de Makeblock et un module adaptateur RJ25 permet de connecter en plus un module sous I²C ou deux modules digitaux hors kit Makeblock. Le potentiel de raccordement de capteurs et donc de mesure est important.

Les deux potences permettent d’attacher des capteurs qui pourront soit :

mesurer la qualité de l’air contenu dans un capot en plexiglas avec une circulation...

Miniaturiser pour embarquer, les nanostations

Les stations de mesure créées avec Makeblock sont fonctionnelles, fiables et robustes. Elles restent cependant assez encombrantes par la taille des modules de commande et des extensions et par la place à réserver aux câbles RJ25 qui sont de longueur fixe et assez rigides. Le montage se complique assez rapidement et il vaut mieux les réserver à la réalisation d’une instrumentation d’ExAO en laboratoire ou à la construction d’une base mécanique.

L’alternative est évidente et permet d’avoir le meilleur des deux mondes :

des bases roulantes et techniques conformes à l’état de l’art avec les kits de Makeblock
des stations miniatures et performantes avec des circuits du commerce

On peut ainsi multiplier les applications en combinant les kits et les circuits. Mais avant d’arriver à ce résultat, plusieurs autres options méritent d’être évaluées.

1. Le module Pycom WiPy et l’extension Pysense programmée en MicroPython

Comme le module Photon du fabricant Particle, de nombreux modules inspirés de la gamme ESP8266 et ESP32 ont séduit les amateurs d’objets connectés par leurs très petites dimensions et leur microcontrôleur puissant, généralement en architecture ARM Cortex, ce qui permet une compatibilité avec l’Arduino. Un autre point d’intérêt essentiel est l’intégration au sein d’un même module d’une puce Wi-Fi performante.

L’objectif est de simplifier et d’accélérer le développement de projets IoT avec de bonnes performances malgré une taille réduite et une fiabilité satisfaisante.

Parallèlement, la programmation en langage Python s’est elle aussi rapidement développée et de nombreux ouvrages et cours s’adressent désormais à un public de plus en plus jeune. Cette approche est complètement dans l’esprit des STEAM et ne peut qu’être encouragée. La dernière mouture du langage Python, la version 3, est d’ailleurs orientée vers le développement d’applications pour l’Internet des objets avec un environnement qui gère mieux le transfert...

Application 3 : l’expédition Mustang 2018 au Népal

Après avoir vu le principe et le fonctionnement d’une station de mesure créée, il est temps de valoriser ces acquis en les transposant à la conception et à la réalisation d’une station pouvant être embarquée et donc miniaturisée.

Mais avant de choisir un véhicule, drone roulant, volant ou flottant, il est intéressant de se contenter d’un sac à dos. Ce sac à dos équipera un marcheur ou plus précisément un rider. C’est l’opportunité d’un périple à moto sur les routes du Népal, et en particulier sur les pistes qui remontent la célèbre vallée du Mustang dans le nord-ouest, jusqu’à une altitude de 4 000 mètres, qui a permis de réaliser et de tester en conditions réelles une station miniature.

1. Le projet Mustang 2018

Ce projet est né de la rencontre entre trois passions : la moto, la nature et les STEAM. La première s’est traduite par un périple de 1 200 kilomètres au Népal à une altitude variant entre 230 et 4 000 mètres, en fin d’année 2018. C’est avec un groupe d’amis, membres également du motoclub Carpe Diem, que les routes et les pistes de ce beau pays ont été parcourues en testant une station mobile en situation et en collectant des données sur l’environnement afin de les valoriser.

Pendant la quinzaine de jours de route, avec une étape différente chaque jour, la station a enregistré toutes les 5 minutes les trois paramètres généraux de l’environnement que sont la température, la pression atmosphérique et l’humidité.

De la ville de Katmandou au village de Jarkhot sur les sommets du Mustang en passant par la plaine du Chitwan, ces données ont été enregistrées systématiquement pendant le roulage et accompagnées de la date et de l’heure, de la longitude, de la latitude et de l’altitude.

Ces mesures sont précieuses, car il n’est pas facile d’en obtenir de semblables sur le territoire français, sauf à entamer l’ascension du mont Blanc. Elles...

Application 4 : le projet artistique et connecté Printemps silencieux

1. À l’origine, le Printemps silencieux de Rachel Carson

« Alors un étrange fléau s’abattit peu à peu sur la région et tout se mit à changer. [...] Il y eut un calme étrange. [...] Les rares oiseaux encore visibles agonisaient, secoués de violents tremblements et incapables de voler.

Le printemps avait perdu sa voix.

Le matin, naguère vibrant dès l’aube du chœur de dizaines de chants d’oiseaux, aucun son n’était perceptible ; seul le silence régnait sur les champs, les bois et les marécages. »

Rachel Carson, Printemps silencieux, 1962

Ce cours extrait de l’introduction du livre de Rachel Carson illustre bien l’enjeu de l’environnement, de sa préservation, et pour ce faire, de sa mesure. Écrites en 1962, il y a 56 ans, ces lignes ne se limitaient pas à dénoncer les effets désastreux des pesticides, comme le DDT, sur les animaux et les hommes, mais posaient les bases d’une écologie toujours actuelle. Et il fallut beaucoup d’intelligence et de courage à Rachel Carson pour convaincre et défendre ses convictions contre l’inaction des pouvoirs publics face aux géants de la chimie de l’époque. La solidité de son livre et la vigueur du message qu’il porte tiennent à des observations précises et détaillées, issues de campagnes de mesures. Mesurer pour comprendre et comprendre pour faire émerger la connaissance, voilà la base de ce projet pédagogique et utile qui est celui de construire une station de mesure de l’environnement.

L’ouvrage de Rachel Carson, dans le cadre printanier d’un jardin près d’Amboise

À l’heure de la rédaction de ces lignes, un article scientifique paru en avril 2018 (« Hybridization and gene flow in the mega-pest lineage of moth, Helicoverpa », Craig J. Anderson et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, Apr 2018) alerte sur le développement au Brésil d’espèces hybrides résultant d’un croisement entre deux papillons particulièrement nuisibles pour plus d’une centaine de plantes, dont le maïs, la tomate...

Embarquer une station de mesure pour explorer l’environnement

Comme pour une fusée ou une station spatiale, le vecteur est rarement dédié à une fonction de mesure ou de visualisation, car les challenges techniques incitent à se concentrer sur ses performances et sa motricité. C’est déjà un beau résultat d’arriver à se maintenir sur l’air et sur l’eau et à évoluer de façon manuelle ou automatique.

Le compromis entre la spécialisation des ressources, la force motrice et celles dédiées à la mesure, se résout facilement en utilisant des modules de service qui seront dédiés à l’accomplissement d’une tâche précise, comme la mesure de l’air ou de l’eau ou encore la prise de vue, qu’elle soit aérienne ou sous-marine.

Dans le cas du drone d’exploration, roulant, volant ou flottant, le vecteur est constitué par le module AirBlock ou par le Ranger. Les modules de service sont à réaliser à part et seront fixés sur les vecteurs de plusieurs manières :

Un boîtier imprimé en 3D sur le Ranger.
Une cage en plastique PLA, le même que celui qui est utilisé en impression 3D, pour bénéficier d’un excellent rapport entre son poids et sa robustesse. Un prototype de cage réalisé avec un stylo 3D est facile à réaliser et permet de placer une mini station de mesure.
Une nacelle, également en plastique PLA, avec une quille pour l’équilibrer et lui donner un bon comportement lorsqu’elle sera tractée par Airblock en configuration hydro/aéroglisseur. Cette nacelle sera aménagée spécialement pour pouvoir mesurer les différents paramètres de l’eau (turbidité, conductivité, pH…) et enregistrer les données et la position du drone sur une carte SD à l’aide du module datalogger compact évoqué précédemment.
Une coquille étanche avec un système de lest pour ajuster sa profondeur et des bras fixes, mais réglables à la main, pour positionner des LED protégées elles aussi par une coque étanche. En complément, une partie peut être ouverte pour...