Freescale racing cup 2015 Presentation

Présentation PFA•

Project by ENIS Freescale TEAM

Freescale Racing Cup 2015

Freescale ENIS team 2015

Kallel Ahmed YahiaGhariani Mekki

Bayoudhi RabebKammoun Ahmed

Encadrement

M. Masmoudi NouriM. Marzouki Aymen

• Introduction• Etude électrique et

mécanique• Programmation et structures• Thresholding & filtering• AI de vision• AI• Unité de contrôle• Programmes de support• Problèmes • Conclusion

PlanPlan général

Etude électroniqueConcerne la partie électronique de la voitureEtude mécaniqueConcerne la partie mécanique de la voiture

Programmation et structuresIntroduction générale sur la partie softwareThresholding & filteringTraitement du signal

Intelligence de visionStabilité de vision pour la voiture

AI Partie commande de la voiture

Unité de contrôleController

Programmes de supportEnsemble des programmes utilisés lors de la développement

Problèmes et vision générale

Problèmes et préambules

ConclusionConclusion générale

IntroductionFreescale CUP, freescale car

Freescale CUP, freescale car

Un peu d ’ électricité

Support LED, support caméra

Encapsulation, abstraction

Techniques de binarization et seuillage

Perception

Actionneurs

Partie automatique et contrôle

Homebrew programs

Quelques problèmes et perspectives

PlanPlan général

• Freescale Racing Cup est un évènement international annuel organisé pour choisir l’équipe qui construit, programme et fait une course avec un système ‘practice’.

• Chaque équipe est équipé d’un KIT dit de « Freescale Cup Kit » contenant des pièces, pièces de rechanges, carte FRDM-KL25Z centré autour d’un microcontrôleur ARM, caméra linescan, servomoteur, 2 moteurs et une carte Shield (d’adaptation), et doit obéir au cahier de charge proposé par les organisateurs.

Kammoun Ahmed

• Un seul essai sera pris: Le premier tour lorsque le véhicule traverse toute la piste sans déraper.

• Déraper: Avoir une 3ème roue au dehors de la piste.

• La piste exigée est « Edge-lane » • 60 cm de surface blanche matte, ayant aux bords

2 traits en noirs d’épaisseur 2.54cm.

Kammoun Ahmed

PlanPlan général

• Etude électronique de la carte y compris la carte FRDM-KL25Z en général et les composants internes et externes associés .

• Etude électronique de la board LED

Bayoudhi Rabeb

Unité de commande KL25Z128

Carte FRDM-TFC

AlimentationMoteur DC

Moteur DC

Line Scan

camera

Servo moteur

PWM2 C digitales

Bayoudhi Rabeb

KL25Z128 KL25Z128VLK est un dispositif de famille KL2 bénéficiant d'une fréquence de fonctionnement maximale de 48 MHz, 128 Ko de flash, il contient:un accéléromètre numérique trois axesun curseur tactile LED RGB2 SPI à 8bits 2 I2C3 UART

Bayoudhi Rabeb

Carte FRDM-TFCC’est une carte intermédiaire entre le kl25Z128, les capteurs et les moteurs.Elle peut contrôler :Motor Driver ICsSorties servo 2 canaux Interfaces dual Linescan Camera 2 entrées pour accéléromètres2 potentiomètres pour fonctions utilisateur2 boutons poussoirs pour fonctions utilisateur4 Positions DIP Switch pour fonctions utilisateur4 DELs (vert) pour indicateur de batteries ou fonctions utilisateur

Bayoudhi Rabeb

Pont en HBayoudhi Rabeb

Servo moteur Il est commandé par le signal PWM. La largeur des créneaux va commander l’angle de l’arbre du servomoteur. La durée du créneau doit être comprise entre 1 et 2ms pour la majorité des servomoteurs. Une durée de 1ms correspond à l’angle 0° et 2ms correspond à l’angle 180°.

Bayoudhi Rabeb

Nous utilisons un seul servomoteur Futaba S 3010 qui a les caractéristiques:Vitesse: 0.20 sec/60° @ 4.8V 0.16 sec/60° @ 6.0VCouple: 72 oz-in (5.2 kg-cm) @ 4.8V and 90 oz-in (6.5 kg-cm) @ 6VDimensions: 1.6 x 0.8 x 1.5" (1-9/16 x 13/16 x 1-1/2") : (40 x 20 x 38mm)Poids: 1.5oz (1-7/16oz) (41g)

Bayoudhi Rabeb

Line Scan camera

Le capteur TSL1401CL est une caméra CMOS 1x128. Elle est constituée de 128 photodiodes qui sont disposés l’un de coté de l’autre formant une ligne (tableau). Chaque diode disposée à la lumière génère un courant électrique à l’aide des circuits associés à ce pixel.

Caractéristiques du camera : 128-pixel (capteur TSL1401CL)5-pinTemps d‘ exposition : 267µS to 68mS

Bayoudhi Rabeb

Pendant le temps d’intégration, un condensateur d'échantillonnage sera connecté à la sortie de l'intégrateur par un interrupteur analogique. La quantité de charge accumulée au niveau de chaque pixel est directement proportionnelle à l'intensité lumineuse et au temps d'intégration.

Il faut couvrir les circuits électroniques de la caméra pour éliminer les bruits et diminuer les erreurs de mesures.

Bayoudhi Rabeb

L'appareil sera monté au-dessus de la voiture pour regarder en avant la distance. En changeant l'angle de la caméra, la distance "look-ahead" peut être modifié afin d'assurer un pilotage plus efficace

Positionnement de la caméraBayoudhi Rabeb

on a relève le signal de la caméra dans des conditions différentes, on a remarqué que la lumière du milieu est insuffisante, en fait l’intensité de la lumière est variable sur le trajet comme le montre la figure ci-dessous.

Bayoudhi Rabeb

notre solution consiste à ajouter une autre solution de lumière qui couvre la largeur de piste.

Bayoudhi Rabeb

La déterminations des nombres des LEDs , longueur de panneau, distance entre deux LEDs consécutif et les résistances utilisé sont déterminer à partir du programme LED Calc qu’on a réalisé à l’aide d’un logiciel Visual basic.

Bayoudhi Rabeb

Le choix de nature de la source (sans ou avec régulateur) est justifiée par le bilan de puissance que on a fait.Puisque l’utilisation des diodes liée en parallèles impose l’utilisation de plusieurs résistances d’où l’augmentation de pertes joule, les LEDs seront couplés en séries. Nous avons réalisé carte d’alimentation contenant un bouton et des résistances et quatre cartes contenant chacune trois LEDs , ces dernières cartes seront reliée en cascade .

Conception des cartes LEDBayoudhi Rabeb

PlanPlan général

• Etude mécanique: concernant le support LED, le support de la caméra et un peu sur l’assemblement.

Bayoudhi Rabeb

Etude mécanique La première étape est d’assembler le châssis mécanique du kit freescale .La deuxième étape est de déterminer la hauteur de la tige de caméra, sa position et faire la conception de leur support. Donc on a recours à l’essai pratique, En variant la hauteur de caméra, on visualise son signal à l’aide de CamView / Processing et on vérifie s’il y a une détection des deux extrémités noires du trajet.

Bayoudhi Rabeb

Les hauteurs du support caméra ne doivent pas dépasser le 30 cm selon le cahier de charge.D’après les essais expérimentaux, la hauteur de tige est égale à 28cm.Nous avons réalisé le support ci-dessous, en utilisant ce support on peut varier la hauteur de caméra et son angle de vision.

Support caméra

Bayoudhi Rabeb

La troisième étape était la conception et la réalisation support réfléchissant de cartes LEDs.

Support LED boardBayoudhi Rabeb

Pour réaliser le support on a recourt à une société nommée CAT . Pour cela nous avons du prélever les mesures appropriées ..

Kammoun Ahmed

Batterie et consommation Une batterie NiMH (de l'anglais nickel metal hybride) est un accumulateur rechargeable électrique fonctionnant avec de l'hydrure métallique et du nickel.Les avantages sont :•30 à 40 pour cent de capacité en plus par rapport à des piles et batteries standards NiCd,•faible sensibilité à l'effet mémoire,•les conditions de transport sont simples et non soumises à une réglementation particulière,•respectueux de l'environnement, contient seulement des toxines douces ; recyclage facilité,•absence de cadmium et de plombs,

Les inconvénients sont :•Durées d'utilisation limitées, si plusieurs cycles à fortes décharges, particulièrement avec un courant élevé (se détériore après 200 à 300 cycles).•Processus de mise en charge de la batterie plus complexe.•Les performances des piles NiMH se dégradent si elles sont stockées à haute température •Environ 20% plus cher que les batteries NiCd.Les batteries NiMH supportant les courants élevés (pour l'automobile) sont plus chères que la version normale

Kammoun Ahmed

Un des grands problèmes que nous avons rencontrés c’est le problème de puissance.La seule batterie qu’on possède est de 1800mAH.

Batterie visée : à connecteur Tamiya et de tension 7.2V

Kammoun Ahmed

• Vu que , pour améliorer le rendement de la caméra ainsi que de la voiture, on a utilisé comme solution des plaques LEDs . En ajoutant ceci et après des testes de mesures réels dans la laboratoire de travail , on a conclu que la performance de la batterie actuelle est perturbée ( puissance insuffisante , décharge rapide .. ) . La solution est donc avoir une batterie plus performante .

Kammoun Ahmed

PlanPlan général

• Ce chapitre traitera les abstractions utilisés lors de la programmation soit la vue software de la voiture.

servomoteur

command : valeur entre -1 et 1 pour commander le servo

Propriétés

offset: valeur entre -1 et 1 pour servir comme un offset

A l’état d’équilibre (command = 0), la voiture doit marcher parfaitement rectiligne

Vu que ce n’est pas généralement le cas, on essaie de fixer ceci en « software »

La valeur qui remet le servo à 0, on l’a appelé offset

La valeur 0 remet à 0 le servo

La valeur -1 permet la rotation à gauche

La valeur 1 permet la rotation à droite

La commande (orientation) de la voiture

DC Motors

leftSpeed , rightSpeed : PWM de commande des moteurs

Propriétés

SpeedMultiplier: Echelle de la PWM

Marche en avant

maxSpeed : max PWM à atteindre

LeftSpeed = rightSpeed

LeftSpeed < rightSpeed

Speed = (Speed * speedMultiplier) within maxSpeed

Accelerometer

X_out, Y_out, Z_out : Les orientations dans l’espacePropriétés

Mesure des orientations spatiales.

Getters! (readonly)

Courbe en bleu: Valeur généré similaire à celle de l’accéléromètre

Courbe en vert: moyenne glissante

Avant d’appliquer la valeur de la moyenne glissante, on a du attendre quelques cycles de stabilité

Motion: calcul du mouvement de la voiturePropriétés

Informations sur la voiture

steerRange: calcul de glissement de la voiturePosition To track : position de la voiture par rapport au milieuIs Oversteering: pour fixer oversteer ou understeer

perplexité• Pour fixer le problème perplexité (mouvement

brusque), on passe un régulateur PI• Ce régulateur est appliqué pour les 3 actionneurs

(moteurs DC et servomoteur)

Saturation• Pour ne pas surpasser les valeurs alloués , on

sature les valeurs des moteurs (DC et servo) pour ne pas dépasser 1.0 (resp 0.9 , 0.9) et ne pas dépasser de l’autre côté -1.0 (resp -0.9, -0.9)

Algorithme générale

PlanPlan général

• Traitement du signal.

Les données:Data/pixel : vecteur de 128 entiers prenant valeurs entre 0 et 4096(CAN).

avgLight :Valeur moyenne des pixels Threshold : Valeur maximale pour démarrer la phase de “blur”

Les fonctions :blur : Algorithme de flou gaussien (pour lisser le signal) rgbize : Convertir en valeurs RGB (entre 0 et 255) pour minimiser davantage les bruits.filter : utilise une méthode prédéfinie pour binariser l’image.

Algorithme de filtrage K.A.Y

Complexité O(n)Adaptabilité GlobaleB [ i ]=pixel [ i ]<128

MidGrey

B [ i ]=pixel [ i ]<(max−constant )MaxMinusConst Complexité O(n)

Adaptabilité Globale

B [ i ]=pixel [ i ]<avgLightMean

Complexité O(n)Adaptabilité Globale

Méthode de Derviate-link

Complexité O(n)Adaptabilité Locale

0 0 0 -1 0 0 0 +

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -

1 0 0 0 +

Méthodes de binarisation concrets

(originale)

Méthode Rapidité Δ remarques AvantagesAverage Très rapide -Fausses détections aux bords

- Incompatible avec un environnement trop illuminé ou ayant une diffusion lumineuse/éclairage lumineuse non uniforme

- Rapidité

Max-const Très rapide - Fausses détections aux bords- incompatible avec un environnement faiblement illuminé ou ayant un éclairage/diffusion lumineuse non uniforme

- Rapidité

midGrey Très rapide - Fausses détections aux bords- incompatible avec les environnements ayant un éclairage non uniforme- le taux d’erreur est très grand.

- Rapidité

Weighted derivate

Moyennement rapide

- compatible avec plusieurs environnement- insensible aux bruits- erreur détection aux bords contrôlable - imprécision : erreur de mesure (quelques pixels)

- efficacité

Comparaison des méthodes K.A.Y

Choix de la méthode• La choix de la méthode peut être fait

o Manuellemento Par intelligence artificielle planifiée (à travers d’un fonction

d’évaluation)

• Mais, personne n’a dit qu’on ne peut pas combiner quelques méthodes pour trouver une méthode marchant partout .o Ainsi on a combiné derivate-link, mean et MidGrey pour trouver la

méthode qui rend la fonction d’évaluation inutile

Score de fidalité [-1..4]

Approche par « flou »• C’est une approche autre que la binarisation à

utilisation tout terrain symétrique en utilisant le flou en 2 parties.

• Au lieu de déduire la point milieu du trajet, on déduit le trajet à partir du point milieu

• Cette méthode n’était pas mentionnée puisque le terrain de freescale enMaroc a étédéjà incompatible

PlanPlan général

• Cette partie traitera les erreurs dues à la filtrage, les fixer pour assurer la rationalité des décisions à apprendre.

Ceci est flip ou flop?

Fonction d’évaluation du signal de début

• Le signal d’initialisation sera toutefois pris, la première entrée pour l’algorithme de supervision de la « qualité du signal ».

• Pour mettre en concret ceci, on associe une fonction d’évaluation qui donne un score entre (-1) [rejet total] et 3 (bon signal) testant les critères un par un.

Détection du signal de la fin

Correction du signal

NOM de l’erreur Diagramme CorrectionValeur bruitée Flou + seuil:

Si (B[i]+B[i+1]+B[i-1])>2 alors B[i] = 1 sinon B[i] = 0

Fausse détection aux bords

Si (détection à la fin ou au début) alors supprimer cette détection Ignorer n bits à gauche et à droite

• En course :Pour l'intelligence artificielle pour

prendre une décision éclairée, il doit savoir où il se trouve dans le environnement .Pour notre cas, ce serait la position sur la localisation dans la piste de course et quel secteur de la piste de course la voiture est en

Ghariani Mekki

Track Direction (Direction de la piste) = motion

Position To Track(position par rapport à la piste)

Motion (mouvement)

Ghariani Mekki

Calcul de l’état de la voiture

Oversteering, understeering

Un véhicule est dit « under steering » lorsqu’elle prend un long virage.( !! ) La voiture peut déraper!

« over steering », c’est lorsque la voiture prend un virage court.

Ghariani Mekki

PlanPlan général

• Intelligence artificielle de la voiture: partie commande.

Ghariani Mekki

Le contrôle flou appartient au domaine de contrôle intelligent. Comme le modèle mathématique précise de l'objet de commande est pas nécessaire, commande floue a été largement utilisé dans la zone de contrôle industriel.

Ghariani Mekki

Raisonnement du contrôleur flou

Un contrôleur flou est divisé en quatre parties: Fuzzification , base de règles , l'inférence de règle et la défuzzification.

Ghariani Mekki

Notre but : 1. Lorsque la voiture est sur une voie rectiligne,

servo moteur de direction devrait orienter au milieu.

2. La voiture ne devrait pas manquer la piste.3. Lorsque la voiture est sur la piste de déviation,

l'angle de direction devrait augmenter avec l'augmentation de l'angle de déviation de la voiture. La sortie d'angle de direction devrait être un peu plus grand que d'habitude lorsque la vitesse est élevée (soit PWM élevé).

Ghariani Mekki

• Fuzzification : Le processus de fuzzification comprend la

détermination des variables d'entrée et de sortie de tous les systèmes et leurs domaines, le nombre et les valeurs de chaque variable linguistique, les fonctions d'appartenance de chaque linguistique qui décident la position de chaque variable linguistique .

• Base de Règles :La règle de base de l'inférence est: si X est un

ET Y est B, alors Z est C . Où, 'X est A' est antécédent 1, 'Y est B' est antécédent 2, et «Z est C 'est conséquente. Antécédents est relié par Symbole 'ET'.

Ghariani Mekki

Règles La base de règles du système de

contrôle de la voiture intelligente est :

Ghariani Mekki

• Mécanisme de l'inférence : Le processus d'inférence implique généralement deux

étapes:1. Les locaux de toutes les règles sont comparées aux

entrées du contrôleur pour déterminer quelles règles sont applicables à la situation actuelle. Ce processus de «matching» consiste à déterminer la certitude que chaque règle applique, et généralement nous allons prendre en compte les recommandations de règles que nous sommes plus certains appliquent à la situation actuelle.

2. Les conclusions (quelles actions à prendre le contrôle) sont déterminées en utilisant les règles qui ont été déterminés à appliquer à l'heure actuelle. Les conclusions sont caractérisé par un ensemble flou qui représente la certitude .

Ghariani Mekki

• Défuzzification:Les résultats de l'inférence floue sont

sorties floues. La sortie nette peut être obtenu par défuzzification. Pour cette étape, les fonctions d'appartenance des sorties sont nécessaires. La méthode du centre de gravité est généralement utilisé pour réaliser la défuzzication.

Ghariani Mekki

• Anticiper la route :Afin de créer une voiture plus intelligente, nous devons avoir la capacité de regarder vers l'avenir cette permettre à l'intelligence artificiel d'anticiper ce qui va arriver, plutôt que de réagir à l'événement qui sont actuellement survenant, rien que pour bien optimiser la route et les exemples suivantes illustrent l'importance de l'intelligence artificiel :

Ghariani Mekki

PlanPlan général

• C’est la partie contrôleur qui fait des ordres overloading les autres ordres. Gérant du système.

Ghariani Mekki

LEAF-0LEAF-1

Règles pour commande

N° Nom Description Fix Etat d’activation

1 Offset mal choisi

Servo.offset, servo.command sont nuls mais car.motion n’est pas nul

Calibrer l’offset

Inactif *(programmé

manuellement)

2Détection erroné de finish line

Détection de finish line dans les 10 premier secondes

IgnorerInactif **

(impossible)

3Grand écart par rapport au centre

La position de la voiture est trop à gauche ou à droite

Equilibrer les vitesses de

moteurs pour revenir au

centre

4 UndersteerLa voiture est en train de se déraper (manière critique)

Ralentir la vitesse et viser

le centreActif

N° Nom Description Action

1 PITCH_UP** Détection d’une ponte Accélérer

2 PITCH_DOWN**Détection d’une descente (du ponte) Ralentir

3 FINISHED* Détection de la fin de course Stopper les moteurs

Système FSMK.A.Y

PlanPlan général

• Ensemble des support softwares développés actifs pour soutenir le projet

Système {Server-Processing}

• Il s’agit d’un petit système qui prend des valeurs de caméra directement ou indirectement, pour le transmettre à Processing.

• Ce dernier permet la simulation et la visualization instantanée des rendus des algorithmes

Accelerometer visualizer

Bayoudhi Rabeb

CamcorderK.A.Y

Fichier de calcul ExcelGhariani Mekki

PlanPlan général

Problèmes et perspectives

• Problèmes et perspectives.

Saturation• La saturation de la caméra ait lieu lorsque la

lumière de diffusion ou de la réflexion vise directement la caméra.

• De ceci, il est impossible de rejeter ce lumière

Saturation• Lorsque n condensateurs se saturent, ils influent

par suite sur les condensateurs qui s’en suivent• Ainsi la caméra devient aveugle ne voyant que la

composante saturante (4096 dans notre cas)• Même en allouant plus de bits de conversion

(ADC 16-bits a comme valeur finale 65536), ceci ne permet pas de résoudre le problème

• La solution ne peut être qu’en hardware:o Diminuer le taux de luminosité o Changer la caméra

Désaturation• C’est exactement le cas contraire de ce qui est

affiché avant, et ceci est fixable avec un board LED

• La désaturation a lieu dans un environnement sombre.

Kammoun Ahmed

Non uniformité de la lumière

• La non uniformité de la lumière a été traité déjà.

Kammoun Ahmed

Impossibilité de trouver une piste

adéquate

Bon….

Perspectives• Dans le cadre d’amélioration de notre système on

peut ajouter des capteurs de vitesse et les utiliser avec un correcteur PID pour assurer la stabilité de voiture . Il existe plusieurs types des capteurs de vitesse mais notre étude ramène à choisir un capteur à effet hall vue sa petite taille .

Bayoudhi Rabeb

Conclusion• L’expérience de Freescale a été mémorable,

l’organisation a été splendide et les Marocains nous avons bien accueilli.

• Le seul problème était dans la piste située à la salle de gymnastique qui a une luminosité trop augmentée saturant la caméra.

Bayoudhi Rabeb

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