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Sommaire

Présentation

Présentation du projet

Ce projet consiste à réaliser un robot pour participer à la coupe de robotique des GEII. Pour fabriquer ce robot nous devons respecter un cahier des charges défini par le règlement. Le principe de ce concours est d'aller le plus rapidement possible d'un coin à l'autre d'une arène carrée de 8 mètres de coté, tout en esquivant les obstacles jonchant le parcours et les autres robots. Une fois arrivé, le robot doit percer un ballon qui lui est attaché en début de course.

Cahier des charges fonctionnel

Schéma fonctionnel de degré II

Shema fonctionnelle.png

Schéma fonctionnelle 1er degres

Shema fonctionnelle 1er degres.png
Shema fonctonnelle 2.png

Solutions techniques

Pour fabriquer ce robot nous avions plusieurs choix pour procéder à l’évitement des obstacles, ainsi qu'au guidage vers la zone. Nous avons choisi pour guider le robot un système hybride composé de roues codeuses et d'une caméra CMUCam Pixy, spécialisée dans la reconnaissance d'objets. La roue codeuse permettra d'effectuer le début du parcours, et sera remplacée par la caméra, plus précise, une fois la distance de détection atteinte. L'évitement des obstacles sera assuré par trois capteurs infrarouges SHARP GP2Y0A21YK0F, permettant la détection d'objets jusqu'à 80 centimètres de distance, qui, placés à l'avant du robot, permettront l'esquive si un obstacle est rencontré.

Etude et Réalisation des Differentes Parties

Alimentation et Régulation

Batterie

La batterie est imposée :

Tension 12 V
Capacité 7 Ah
Batterie

Moteurs de roues

Les moteurs sont imposés.

  • Caracteristique du moteur:
Marque Dunkermotoren G 42*25
Tension 15V
In 1.45 A
Ifm 10.9A
Rpm 3300 tr/mn
Dunkermotoren G 42*25


  • Tests en conditions réeles sur les moteurs montés sur le robot ( U=12V ) :
Résistance électrique 4 ohm
Courant à vide 0.28 A
Courant en charge nominale robot 0.7A
Courant en charge au démarage robot 1.6A
  • Consommation maximum en courant pour les 2 moteurs du robot :

Imax = 2*1.6A = 3.2A


Régulation de la tension d'alimentation

  • Les besoins :


Pour Arduino MEGA:

Caractéristiques techniques :

Operating Voltage 5V
Input Voltage (recommended) 7-12V
Input Voltage (limit) 6-20V
Total output current MAX 800mA

On constate qu'il est possible d'alimenter la carte Arduino MEGA directement avec la tension de la batterie ( 12.8V chargée).
Ce n'est toutefois pas recommandé, car le régulateur intégré dans l'Arduino chaufferait, ce qui pourrait endommager le microcontrôleur.

Solutions Alimentation Arduino MEGA:

  1. Tension d'alimentation inférieure à 12 V
  2. Tension régulé de 5V qu'on fait venir directement sur les pattes VCC d'Arduino:

Le courant maximum requis: 800mA


Pour les Moteurs de Roues :

  1. Tension maximum requise: 15V
  2. Courant maximum requis: 3.2A


  • Utilisation d'un Convertisseur DC/DC

Nous avons utilisé une carte faite par des étudiants des années précédents.

Carte d'alimentation

Cette carte contient deux régulateurs à découpage:

  1. LM2596S fournit 5V ( 3A max )
  2. XL6009E1 qui fournit 12V ( 4A max )

Les régulateurs fournissent largement le nécessaire en tension et courant.
Pour le semestre suivant nous prévoyons à réaliser une autre carte d'alimentation, qui sera plus compacte.


Contrôle des moteurs CC par un dual H-Bridge (L298P)

Principe de fonctionnement d'un H-Bridge (PONT-H)

Le pont-H est une structure utilisée en électronique de puissance pour:

  1. controle moteurs
  2. convertisseurs et hacheurs
  3. onduleurs


  • Principe: On active les commutateurs avec differents cominaisons pour obtenir le branchement voulu. Le courant va circuler dans un sens ou dans l'autre dans le moteur, ce qui va permettre d'inverser les sens de rotation du moteur. Avec le pont-H on peut également varier la vitesse en modulant la tension aux bornes du moteur.


Principe Pont-H
Freinage Magnétique


Combinaisons de commutateurs possibles pour commander un moteur DC:

Sens + Fermer A et D
Sens - Fermer B et C
Freinage magnétique A et C / B et D
Arret libre A,B,C,D ouverts
Autres combinaison INTERDITES

Le composant L298N


Nous allons utiliser pour notre robot le composant L298N (traversant) qui a le meme principe de fonctionement que celui en CMS (L298P).


Caractéristiques L298N


Dans la figure suivante on peux voir le cablage du composant, les signaux de commande et les sorties d'alimentation MOTEUR. Dans le tableau nous avons les 4 modes possibles en actionant les entrées logique C et D ainsi que Venable (PWM) pour varier la tension d'alimentation des moteurs (0-12V).


Operating L298N



Tests éffectués avec un SHIELD Arduino (L298P) (

Pour commander les moteurs nous allons utiliser le pont H L298P [ datasheet].

L298P

Le composant est ci-dessous:

L298P

Pour faire des tests nous avons utlisé le Motor Shield For Arduino. En connectant ce shield à l'arduino nous pouvons commander les deux moteurs (commande du sens et de la vitesse).

L298P
  • PWM

Nous allons utiliser le shield en mode PWM, on placera donc les jumpers en conséquence.

L298P
  • Borne du moteur

Nous avons deux bornes (bleues) pour connecter les moteurs CC. Les connecteurs mâles derrière sont identiques à celui des bornes bleues.

L298P
  • PWRIN

Les moteurs peuvent être alimentés par une alimentation externe lorsque le courant du moteur dépasse les limites fournies par l'Arduino (Il est conseillé de séparer les alimentations d’Arduino et des moteurs). Le changement entre la puissance externe et l'Arduino est mis en œuvre par deux jumpers .

PWRIN: Alimentation externe.
VIN: Alimentation du Arduino.

On placera donc les jumpers d’alimentation sur PWRIN.

Arduino Shield6.png


On doit avoir quelque chose comme cela:

L298P
  • Signal de contrôle Tableau de vérité
E1 M1 E2 M2 Texte de l’en-tête
L X Moteur 1 désactivé L X Moteur 2 désactivé
H H Moteur 1 en arrière H H Moteur 2 en arrière
H L Moteur 1 en avant H L Moteur 2 en avant
PWM X Contrôle vitesse PWM PWM X Contrôle vitesse PWM

NOTE:

H: Niveau haut
L: Niveau bas
X: N'importe quel niveau.

Mode PWM

Commande Moteur Pin Arduino Pin Atmega328p Signification
M1 Gauche 4 PD4 Contrôle du sens de rotation
E1 (PWM) Gauche 5 PD5 Contrôle de la vitesse de rotation
M2 Droit 7 PD7 Contrôle du sens de rotation
E2 (PWM) Droit 6 PD6 Contrôle de la vitesse de rotation


  • Exemple de code


Nous allons gérer les moteurs par des signaux PWM (-255 a 255), le signe moins (-) indique que le moteur fonctionne en marche arrière, et le signe plus (+) qu'il fonctionne en marche avant. Ce code nous permet de gérer les deux moteurs par la fonction setVitesse(vG,vD). Dans la suite nous allons l'utiliser pour gérer le déplacement du robot.

Positionnement du robot: Explication du principe

Approximation par des segments de droites

Le positionnement du robot est obtenu par odométrie, c'est à dire que la position est obtenue par intégration de petits déplacements. L'intérêt de l'odométrie est qu'elle est assez simple à mettre en oeuvre et qu'elle est fiable. Par contre, quand on intègre les déplacements, on intègre aussi l'erreur ce qui fait que l'erreur de position croît avec le temps.

Entre deux lectures, on peut savoir de combien s'est déplacée chaque roue codeuse et il faut à partir de cela en déduire la position du robot.


GrapheASD.png

Appelons ∆d et ∆g les distances (en mm) parcourues respectivement par les roues droites et gauches entre deux lectures des LM soit un intervalle de temps Te. Connaissant la position du robot à l'instant n-1, on cherche la pose à l'instant n.


4545.png

On a donc : ∆moy_n = (∆d_n + ∆g_n)/2

∆dif_n = ∆d_n - ∆g_n

∆x_n = ∆moy_n cos(theta_n-1)

∆y_n = ∆moy_n sin(theta_n-1)

∆theta_n = ∆dif_n/L


x_n = x_n-1 + ∆x_n

y_n = y_n-1 + ∆y_n

theta_n = theta_n-1 + ∆theta_n

Estimation de la position du robot

Etude et Réalisation Carte Encodeurs

L'odométrie nous permettra d'estimer la position du robot en mouvement, des le début et jusqu'à la détection de la balise par la caméra. C'est à partir de la mesure des déplacements des roues, qu'on pourra reconstituer le mouvement du robot. En partant d'une position initiale connue et en intégrant les déplacements mesurés, on peut ainsi calculer à chaque instant la position courante du véhicule.


Pour mesurer le déplacement des roues, nous allons utiliser un encodeur, monté sur l'axe de chaque roue.

Encodeur roue.PNG


  • ENCODEUR DE BASE:

Ce montage basique permet de mesurer la vitesse de rotation à partir de la fréquence, mais il ne permet pas de connaître le sens de rotation.

principe


  • ENCODEUR EN QUADRATURE:

Celui-ci nous permettra de connaître à la fois le sens et la vitesse des roues. Il est composé d’un disque rotatif, 1 led infrarouge et 2 capteurs optique décalé un par rapport à l’autre de 90°. C’est justement ce décalage la qui va nous permettre de connaître le sens de rotation de la roue. Suivant le sens de rotation, nous auront deux signaux déphasés en avance/retard de 90°. La vitesse sera déterminé en fonction de la fréquence.

Encodeur en quadrature.PNG


Signaux de sortie.PNG
            Les signaux de sortie à l’oscilloscope



  • CAPTEUR TCUT 1300. Nous allons utiliser ce capteur il nous permettra d'avoir le sens et la vitesse de chaque roue.

The TCUT1300X01 is a compact transmissive sensor that includes an infrared emitter and two phototransistor detectors, located face-to-face in a surface mount package.

Tcut1300.PNG
TCUT1300 1.PNG


Caracteristiques Tcut 1300.PNG








  • Schéma et dimensionnement des composants

Emiter: If = 10mA (Vf = 1.2V), Re = (5V-Vf)/If = 380 ohm.

Collector: Ic sat = 0.4mA (If = 10mA), Rmin = Vce /Ic = 12.5 kohm. Vce sat = 0.4V max (pour Ic sat = 0.4mA, If = 10mA ). On prendra Rc = 15 kohm.

Nous devons obtenir les signaux correspondents:

Présence dent Signal de sortie = 0 V
Absence dent Signal de sortie = 5 V
Schéma TCUT 1300.PNG



  • Schéma et routage en Eagle


Schéma Encodeur12.PNG
Routage Encodeur.PNG







  • Réalisation carte (2 exemplaires) et installation

- Carte simple face CMS.

TEST RÉALISÉ SUR LA CARTE FINIE:

Présence dent G1,G2,D1,D2 = 0 V
Absence dent G1,G2,D1,D2 = 4.8 V

Conclusion: Les valeurs sont cohérentes et exploitables.

Carte finale.PNG
CarteEncodeur+RouesCodeuse.jpg




























Roue codeuse

Pour determiner la position du robot nous allons utiliser deux Roues Codeuses et deux capteurs (TCUT 1300). Nous avons créé le roue sur le logiciel GEFAO et fabrication avec la machine charlyrobot. Vous trouverez ici le fichier de la roue (Fichier:RoueCodeuse.zip).


Roue Codeuse composée de 30 dents

Valeurs recu par les capteurs

Cette roue sera placer sur l'arbre des motors et sur les deux capteurs, lorsque le moteur est en train de tourner les capteurs va nous envoyer une signal qui se resamblera à:


  • Si la roue en avant

Il faut remarquer que la signal 1 est en avance. Donc sur chaque front montant de la signal 1, la signal 2 est à 0. Et sur chanque front descendate de la signal 1, la signal 2 est à 1. Ce raisonnement sera utiliser dans le code du proogramme.


Signal capteurRC.jpg


  • Si la roue en arriere

Il faut remarquer que la signal 1 est en retard. Donc sur chaque front montant de la signal 1, la signal 2 est à 1. Et sur chanque front descendate de la signal 1, la signal 2 est à 0. Ce raisonnement sera aussi utiliser dans le code du proogramme.


Signal capteurRCarriere.jpg


Il faut remarquer que si le robot avance, la roue codeuse est en arriere et si le robot recule la roue codeuse est en avant. Ce effet est du aux engranages qui sont sur les moteurs et la roue.

Interruptions et timer


  • Interruptions INT0 et INT1: Code example

Dans cette partie nous allons utiliser les interruptions et les timers. On utilisera les inturruptions (INT0 et INT1) pour dechancher un code a chaque fois que les dents de la roue codeuse travers le flux lumineuse du capteurs (sur le front montant et front descendant). Nous allons aussi utliser un timer qui sera dechanché sur un temps assez petit ( <10ms) pour calculer un deltaX, un deltaY et un detaTeta qui nous permetront de determiner la position du robot a chaque instante.

  • TIMER 1


En faite nous allons calculer la position du robot en ajoutant de petits deltas de postition lequels seront calculer sur un temps suffisamment petit ( <20ms) pour eviter que l'erreur soit grand. On utilisera un drapeau pour eviter de faire de calculs dans le ISR(TIMER1_COMPA_vect), nous allons les faire plutot sur while(1), cela nous permettra de reduire l'erreur.

Suivons une ligne droite

On sait que le moteurs n'ont pas la vitesse, donc il faut essayer de faire cela par code. On va donc faire setVitesse(Vmax * cos(Teta + PI / 4.0), Vmax * sin(Teta + PI / 4.0)), les cos et sin nous permettra jouer sur la vitesse et de cette facon faire que le robot suis une ligne droite. Il faut remarquer qu'il ne va pas s'arreter.

Suivons une consigne

Cette fois nous pourrons donner une valeur en X ey Y et le robot sera capable d'arriver au point et s'arreté. La valeurs doit etre donnée en cm.

Detection d'obstacles

Caméra

Choix camera

Nous avons testé 3 cameras différentes, la PiCam, la CMUCam3 et la CMUCam5 Pixy

Cmu Cam 3.jpeg
vignette


Nous avons choisi d'utiliser la CMUCam 5(site CMU cam 5) car elle est beaucoup plus simple d'utilisation que les deux autres. En effet, celle ci dispose d'une interface dre réglage, PixyMon, lui permettant d'enregistrer les signatures des objets à détecter, et de régler l'acquisition pour restreindre la détection à ces signatures précises. De plus, celle ci dispose d'un support mû par des servomoteurs permettant d'élargir son champ de vision.

Camera CMU cam 5

Tout d’abord nous avons réalisé une simple reconnaissance d'objet grâce au logiciel, il suffit pour cela de sélectionner l'objet en question via une interface, Pixymon. Nous avons ensuite choisi d'utiliser une balise lumineuse pour que la camera la repère le plus loin possible. balise test.



Grâce à cette balise nous avons pu déterminer la distance maximale de détection avec une balise de taille réglementaire. Nous avons ainsi déterminé que la balise était capable d'effectuer une détection à approximativement 6m.

Programme de gestion du cap

Nous avons réalisé un programme permettant de récupérer la position en X d'un objet par rapport à la caméra


Cette fonction a été testée avec le main suivant


Il est nécessaire d'appeler les bibliothèques SPI.h et Pixy.h, et de déclarer et d'initialiser Pixy dans le setup. Ceprogramme ne permet cepandant pas l'usage des servomoteurs, limitant le champ de vision.

Mise à l’arrêt du robot et le perçage du ballon

La mise à l’arrêt du robot et le perçage du ballon doivent avoir lieu simultanément. Cela doit se produire quand le robot est arrivé dans le coin opposé.


Capteur de "Mise à l’arrêt" du robot

Pour se diriger vers le bon coin, le robot est guidé par les roues codeuses et par la caméra qui suit une balise lumineuse. Maintenant qu'il est guidé dans la bonne direction, nous devons procéder à une mise à l’arrêt rapide des qu il franchi le coin opposé. Le coin possède la particularité d'avoir une surface au sol de couleur blanche, alors que le reste du sol est bleu. Une solution évidente est d’utiliser le principe d’une diode émettrice infrarouge et d'un photo transistor récepteur infrarouge. Ainsi on pourra arrêter le robot quand il franchit une surface blanche.

Principe.PNG


  • Le capteur CNY70 :

Nous pourrons utiliser ce capteur infrarouge pour détecter la couleur du sol.


CNY 70.PNG
Sd.PNG





  • Schéma et dimensionement des composants


Emetteur: If = 20mA (Vf = 1.15V), Re = (5V-Vf)/If = 195 ohm.

Collecteur: Ic = 0.5mA (pour If = 20mA, Vce = 5V, d = 2mm), Rc = Vce /Ic = 10 kohm.

Nous devons obtenir les signaux correspondents:

Sol noir/surface non reflechissante env 0 V
Sol bleu env 3 V
Sol blanc/surface bien reflechissante env 5 V


  • Schéma électrique, routage en Eagle et fabrication de la carte


Schéma CNY70 2.PNG
Carte Capteur Sol CNY70 22.jpg
Routage EagleCNY701.PNG




Systeme "Perçage du Ballon"


  • La partie mécanique

Nous avons testé deux matériaux pour faire le percage: le fer et le plastique.
Pour l'aiguille, nous avons choisi d'utiliser du fer, plus facile à affûter.


Percage Ballon 1.jpg
Percage Ballon 2.jpg



  • La commande électrique du moteur

Nous avons testé deux moteurs ,un moteur normal et un SM-S4303R. Finalement nous avons choisi le moteur normal,car le SM-S4303R est moins puissant et ne tourne pas assez vite pour percer le ballon.

Nous avons un moteur 5V qui tourne à un régime élevé. Au démarrage il demande beaucoup de courant. Comme l'Arduino ne peut pas fournir des courants supérieur à 20mA, pour commander le moteur nous allons utiliser un transistor MOSFET. Ce transistor permet de commuter des courants assez importants.

Pour que le transistor devient passant, nous commandons le gate en +5V avec Arduino. On rajoute une résistance de tirage de 1Mohm entre le gate et la masse, pour éviter que le transistor devienne passant à cause d'une perturbation externe.

Caractéristique transistor MOS:

Marque IRF2204
Vdss 40 V
Rds 3.6 mohm
Id 210 A


Mosfet1.gif


Schéma électrique et routage sur Eagle


Schéma MOS.PNG
IMG 6148.JPG


Fabrication carte et installation


Carte Moteur Ballon.jpg

Réalisation Carte des "Entrées et Sorties" et du Pont H


Objectifs et Composants utilisés )

  • Objectif: concevoir une carte compacte qui va héberger le composant L298N pour le contrôle des moteurs ainsi que toutes les entrées et les sorties.La carte devra s’emboîter sur la carte Arduino MEGA.


Les Entrées Les Sorties
Alimentation (5V) Moteur Gauche
Alimentation moteurs (12V) Moteur Droit
Encodeurs (TCUT1300) Commande perçage Ballon
Camera (CMUCam 5)
3 capteurs obstacles (IR)
Couleur Sol (CNY70)
PWM Moteurs
Sens rotation Moteurs


  • Références des composants utilisés:
Qté Nom Référence Eagle
1 Dual H-Bridge L298n
1 Radiateur pour L298n
4 Résistance 1 ohm package 207/10
8 Diode 1N4004
2 Condensateur E 1.8-4 package 100nF
1 Connecteur ISP AVR-ISP-6
1 Connecteur Farnell 6 pins CMS
6 Connecteur Molex 2 pins 22-27-2021-02 traversant
3 Connecteur Molex 3 pins 22-27-2031-03 traversant


Schéma électrique de la carte (Eagle)

Schéma Complet


Routage et correspondance des pins (Eagle)

Schéma Complet


La commande des Moteurs de Roues (L298n H-Bridge)

Commande Moteur Pin Arduino Pin ATmega2560 Signification
EnableG (PMW) Gauche 5 PE3 Contrôle de la vitesse de rotation roue G
Input1 Gauche 10 PB4 Contrôle du sens de rotation (H/L)
Input2 Gauche 4 PG5 Contrôle du sens de rotation (H/L)
EnableD (PMW) Droit 6 PH3 Contrôle de la vitesse de rotation roue D
Input3 Droit 11 PB5 Contrôle du sens de rotation (H/L)
Input4 Droit 7 PH4 Contrôle du sens de rotation (H/L)

Les signaux d'entrée et de sortie

Signal Type Pin Arduino Pin ATmega2560 Signification
++roueG digital INPUT 9 PH6 Capteur sens positif roue G
--roueG digital INPUT 3 PE5(INT5) Capteur sens négatif et vitesse roue G
++roueD digital INPUT 8 PH5 Capteur sens positif roue D
--roueD digital INPUT 2 PE4(INT4) Capteur sens négatif et vitesse roue D
Out Ballon digital OUTPUT 12 PB6 Signal de commande pour le Perçage du Ballon
IR gauche analog INPUT 96 PF1 Signal distance obstacle capteur AV gauche
IR centre analog INPUT 95 PF2 Signal distance obstacle capteur AV centre
IR droit analog INPUT 94 PF3 Signal distance obstacle capteur AV droit
Couleur SOL analog INPUT 93 PF4 Signal 0-5 V suivant couleur et nature du sol
MISO liason ISP 50 PB3 Communication avec la Caméra
SCK liason ISP 52 PB1 Communication avec la Caméra
SS liason ISP 53 PB0 Communication avec la Caméra
MOSI liason ISP 51 PB2 Communication avec la Caméra
RESET liason ISP 30 RESET Communication avec la Caméra

Média:Arduino-mega-pinout-diagram.png


La carte finale et les connecteurs

Figure 1 La carte finale

Figure 2 Carte Récto
Figure 3 La carte Vérso avec un défaut










Figure 4 Montage sur le Robot

Problèmes rencontrés:

Comme on peut voir sur la figure numéro 2, une piste à été coupé lors de la réalisation de la carte. Cet défaut s'est manifesté par une non cohérence entre le trajet demandé au robot et le trajet réel. Il nous a fallu 1 jour et demi pour trouver le problème et cela à l'aide du professeur et à travers les mesures avec un oscilloscope sur les signaux de commande des moteurs et sur les bornes de chaque moteur. Nous avons constaté des surtensions, des perturbations aux bornes d'un moteur. Cela venait d'une diode dont la piste était coupée. Le défaut a été remédié et nous avons constaté le fonctionnement normal du robot.

Leçons à tirer: Vérification avec rigueur la continuité des toutes les pistes en 2 étapes:

  1. après la fabrication de la carte
  2. après avoir soudé tous les composants

De même se servir toujours de l'oscilloscope pour visualiser les différents signaux en temps réel.

Code complet

Pour gérer les différents fonctionalités du robot nous avons utilisé le code suivant:


Vidéo de Démonstration

      VIDEO ICI [1]

Bibliographie/références