Robotique pratique

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Robotique tude et ralisation dune plateforme mobile

Objectif: Initiation la robotique pratique, l'aide d'une plate forme mobile. Problmatique de la robotique mobile : localisation, navigation, technologies pour la puissance, capteurs, asservissements traitement des informations et transmission.Architecture de la plateformemotricit

chssis propulsion et directionchoix des moteurscommande de puissancergulation et contrle de la vitesse

capteurstachymtre pour le contrle de la vitesseinfrarouge et/ou ultrasons pour la dtection dobstaclessignalisation leds, klaxon, messages

intelligence distribue, un ou plusieurs microprocesseurs et un PC

Communication

interne: PWM - SPI - I2C - Analogique USB

distante: wifiProblme de la navigation

obstacles, trajectoiregps, compas, analyse dimage

Problme de lautonomie

monitoring des batteries

recharge autonome

SynoptiqueTches

Mcanique

Construction du CHASSIS, fixation des MOTEURS et dmultiplication, ROUES

Support des circuits, du PC, ralisation du SCANNER RADAR, du PAN&TILT Web camElectronique

Conception des CARTES: PROCESSEUR de COMMUNICATION. , COMMANDE MOTEURS, TELEMETRE IR et US, COMPAS, Commande SERVOS.Software

MICROCONTROLEURS, PC1-CHASSI ET PROPULSION

Sources dinspiration

Critres:

Stable, lger, rigide, simple raliser

Charge utile maximum dterminer: portable + batteries + moteurs + diversEstimation des caractristiques des moteursVitesse de pointe < 0.5m/s , et acclration maximum < 0.5m/s2V = Pi*d*r V= vitesse en m/s, d =diamtre roues en mtre, r = Vitesse de rotation en tours/secondeex: roues de 10 cm et vitesse de 0.5m/s alors r = 95 t/min

F=m*a F=force en newton, m= masse en kg, a= acclration en m/s2ex: 5kg, force de dmarrage = 2.5 N + frottements (? 1.5 N)Avec 4 N et roues de 10 cm alors le couple est de 0.2 NxmP = C*wP = Puissance en Watts, C = Couple en Nxm, w = Vitesse de rotation en Radians/seconde

ex: 95 t/min = 10 rad/sec et P = 0.2 * 10 = 2WIl y a 2 moteurs donc avec ses valeurs 1W par moteur devrait tre suffisant. Par scurit: on visera 2W par moteur

Type de moteurs:

Moteurs DC, voltage, puissance, couple?

Commande des moteurs:

Avant / arrire, rglage de vitesse par PWM.

Hbridge: Voltage max? I max?P lectrique > P mcanique (rendement estimation 50%)Si P=4W et V=12V alors I=4/12 0.35ASi V=5V alors I = 0.8A

Quel circuit? Bipolaires (chauffe) ou MOSFET,Discret avec 2 x 4 transistors ou CI (prix, dispo) 2 simples ou 1 double? 24V 5A Dual H-Bridge

12v 2.8A Dual H-BridgeAsservissement de la vitesse:

La commande de la vitesse est ralise en PWM un processeur est utilis pour la production des signaux et le contrle de la vitesse relle par une rtroaction dune mesure tachymtrique par disque ligne et led/capteur infrarouge.

2-TELEMETRIEUltrasons

40KHz, mesure du temps aller retourVitesse du son = 340 m/sUn metteur, un rcepteurLe signal du rcepteur doit tre amplifi, dans le schma le gain est variable (max5467). Un max232 est utilis pour lever la tension applique lmetteur ultrasons (24v)

InfrarougeSharp GP2D12Donne une tension analogique fonction de la distance

Scan radar

Produire une image de lenvironnement dans un diagramme polaire.Pour cela faire tourner le capteur de distance autour dun axe vertical et mesurer la distance pour chaque angle de rotation. Il y a besoin dun moteur dont on connait la position angulaire.On peut utiliser un servo de modlisme. Commande de position par largeur dimpulsion

Il nest pas possible de faire un tour complet (fils), angle mort3-NAVIGATIONConnaitre sa position, relative sur un plan ou absolue sur la terre.Se dplacer vers un point donn (relatif ou absolu), en vitant les obstacles connus ou imprvus.On ne peut pas faire confiance la commande de vitesse/direction sur des distances importantes, ou aprs de nombreux arrts/dparts.Position absolue: GPS mais pas assez prcis (+/-20m), EGNOS ? (+/-1m)

Direction absolue: bousole ex: Magnetic Compass Philips KMZ51 magnetic field sensorAutre solution: beacons (radios, IR)Analyse dimages, webcam

Orientation de la webcam PAN-TILT , 2 servos

4-PROCESSEURS et COMMUNICATIONListe exhaustive des signauxFonctionDirectionModerem

PWM moteur 1OutDigital 5v pls

DIR moteur 1OutDigital 5v

Break moteur 1OutDigital 5v

PWM moteur 2OutDigital 5v pls

DIR moteur 2OutDigital 5v

Break moteur 2OutDigital 5v

Tacho pulse mot1InDigital 5v pls

Tacho pulse mot2InDigital 5v pls

US triggerOutDigital 5v pls

US echoInDigital 5v pls

IR distanceInAnalog 0-5V

Radar servo pulseOutDigital 5V pls

Arret urgenceInDigital 5VActif bas

Batterie VInAnalog

Batterie IInAnalogBesoin de convertir I en V

Webcam PAN pulseOutDigital 5V pls

Webcam TILT pulseOutDigital 5V pls

Divers (leds,klaxon) x 4OutDigital 5V

Compas??

USBIn/outDigital 5VSur UART, port srie virtuel

on peut en ajouter, clairemen, temprature

2 solutionsUn seul processeur gre tout les signaux et assure linterface avec le PC

Avantage: 1 seule carteInconvnient: difficile diviser entre plusieurs dveloppeurs, il faut tout faire dun coup.Firmware complexe et fortement multitches, temps rel.Plusieurs processeurs se rpartissent le travail

Processeur moteurs: PWM et tachymtre

Processeur tlmtre: contrle US, mesure AD IR, contrle 1 servo scan

Processeur pan&tilt: contrle 2 servos

Processeur de communication: USB PC et autres processeurs

Avantage: travail plus facile rpartir, diviser pour rgner, construction incrmentaleInconvnient: dfinir des protocoles de communications entre les modules

Compromis : 3 processeurs

Le processeur central assure la communication PC USB et la gestion des signaux simples: leds et switches, monitoring batteries, Pan&Tilt. Il transmet les commandes PC vers les autres processeurs. Il doit tre capable de raliser des fonctions simples sans le PC: initialisation, test, dtection dvnement critiques (arrt urgence, I>max, self-test).Le processeur moteurs ralise la boucle dasservissement PID de la commande des 2 moteurs, gnration PWM (timer) et mesure de la vitesse. Il reoit ses commandes du processeur central selon un protocole dfinir. (uni ou bi directionnel, retour vitesse?)Le processeur tlmtrie contrle le mouvement du scanner, cre la rafale dultrasons, ralise la mesure du temps de retour de lcho et ralise la mesure du capteur IR. Il communique ces mesures et langle correspondant au processeur central. Il peut fonctionner en continu ou se positionner dans une direction demande.pwm,dir,break

servo,trig

tachop

echo,IR

pan,tilt,leds,alarm, sw,batt,compas,

5-ANALYSE DETAILLEE DES MODULES A REALISERCircuits avec processeurs

MODULE PROCESSEUR CENTRAL (CP)

HARD

ATMEGA 168, 328 ou 64 ( 2 ports sries)FTDI2328 SORTIES, leds et divers4 ENTREES, switches et divers2 ENTREES A/D, mesure batteriePORT DE COMMUNICATION VERS LES AUTRES MODULES (I2C?)Choix des connecteursTotal >18 ESSOFTDfinition des protocoles vers pc, vers MP et vers MTchoix du support physique (uart,I2C,SPI), vitesse, format des messages (binaires, ascii), liste complte des messages.

Ex: commande: SET SPEED LEFT 20 -> 0F 01 00 20 ou bien SPL=20

rapport: TELEMETRE DATA IR=25 US=28 ALPHA=60 -> 0D 25 28 60

Gestion des servos Pan&Tilt -> timerGestion des leds dtat et des switces arrt durgence et self testMesure du courant et de la tension de la batterie (2 A/D)Initialisation: arrt moteurs, tlmtre 0, Programme de self test: balayage scanner, avance et recule, demi-tour.Gestion des modes durgence (collision, batterie plat, Imax )

MODULE PROCESSEUR MOTEUR (MM)

HARD

ATMEGA 483 SORTIES X 21 ENTREE X 21 ENTREES A/D X 2 (option mesure de courant)PORT DE COMMUNICATION VERS LE MODULES CP (I2C?)2 ENTRE SWITCH SELT TEST et STOPTotal 14 ES

SOFTDcodage des commandesGnration des pulses PWM (timer)Comptage des pulse tachymtre (timer) et calcul de la vitesseRgulation de la vitesse (PID), Il faut rguler les 2 moteurs en mme temps.Switch STOPSelf test: acclrer en avant, ralentir, arrt, idem arrire.Option: mode contrle de position.

MODULE PROCESSEUR TELEMETRE (MT)

HARD

ATMEGA 482 SORTIES, pulse servo et pulse ultrasons1 ENTREE, ECHO1 ENTREE A/D, mesure IR1 ENTRE SWITCH SELT TEST/DEBUG2 SORTIES, LED DEBUGPORT DE COMMUNICATION VERS LE MODULES CP (I2C?)Total 9 ESSOFTDcodage des commandesGnration des pulses ultrason (mission)Comptage du temps de retour de lchoMesure A/D de la valeur du capteur IRGestion de la position du servo de scan, timer.3 Modes

pos: positionne le servo sur un angle donn par une commande et conserve cette position.

single: ralise un balayage aller retour.

auto: balayage aller retour en continu.

Dfinir comment les rsultats son communiqus au PC.Circuits sans processeurs

HBRIDGE

Choix du circuit et ralisation de la carte.Source dalimentation double, haut voltage (7 12V) pour les moteurs et 5V pour la partie digitale.

Liste des circuits envisagsImaxVmaxSimple/double

LM18200

LMD18245

CAPTEURS IR TACHO et MISE EN FORME (2 X)Choix du type de capteurs, led et phototransistor, cavalier de floppy ou capteur effet hall. Le circuit doit tre concu pour sadapter entre le chassis et la roue.Alimentation unique 5V + GND donc 3 fils par circuit vont vers le module MP.6-SOFTWARE PC

Le PC assure la conduite du robotV1.0 La premire version le fera oprer en boucle ouverte, c'est--dire sans