Rapport Final. Projet : Conception d une plateforme de calcul de force pour le diagnostic de la maladie de L Ataxie de Charlevoix/Saguenay

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1 Université du Québec à Chicoutimi MODULE D INGÉNIERIE PROGRAMME (Génie informatique) 6GIN333 Projet de Conception en Ingénierie Rapport Final Projet : Conception d une plateforme de calcul de force pour le diagnostic de la maladie de L Ataxie de Charlevoix/Saguenay Préparé par Hechmi Ayari Pour BUI, Hung Tien Fondation de L Ataxie Charlevoix-Saguenay 19 Avril 2012 CONSEILLER : COORDONNATEUR : BUI, Hung Tien Jacques Paradis, ing

2 Approbation du rapport d étape pour diffusion Nom du conseiller Hung Tien Bui Date Signature

3 REMERCIEMENTS Je tiens à remercier les personnes qui m ont aidé à mener à termes ce projet. Tout d abord, je remercie mon conseiller, Monsieur Hung Tien Bui pour ses conseils et son savoir faire pour m aider à garder les objectifs du projet en vue, et d avoir su me motiver à les atteindre, aussi pour sa disponibilité quand des problèmes survenaient dans le projet et pour terminer je tiens à le remercier pour sa compréhension et ses encouragements à certains moments du projet ou la confiance pour mener à terme le projet faisait défaut. Je remercie les techniciens du L université, et plus précisément Monsieur Francis Deschênes pour son soutien, son aide ainsi que ses conseils pour mener à bien la réalisation du PCB, qui est une des parties maitresse de mon projet. Aussi, je remercie mon épouse de m avoir soutenue moralement dans la réalisation de ce projet et qui a su m encourager dans les moments difficiles. Pour terminer, je tiens à remercier mes parents pour les différentes qualités qu ils m ont inculqués pour avancer dans la vie. Hechmi Ayari 3

4 RÉSUMÉ Ce projet vient dans un contexte où les neurologues se trouvent face au défi de mesurer l état d avancement de l Ataxie Récessive Spastique Autosomique de Charlevoix- Saguenay (ARSACS) qui est une maladie qui touche principalement des gens de la région de Charlevoix-Saguenay. En effet, ce projet vient contribuer à cette étude en essayant de fournir un moyen de quantifier ce qui est qualitatif afin de mieux diagnostiquer cette maladie. L objectif principal consistait à développer une plateforme pour l évaluation de la progression de l ARSACS en quantifiant des caractéristiques qui sont présentement qualitatives et cela en se basant sur le mouvement du centre de masse d une personne à qui on demande de se tenir debout sur la plateforme. Le travail a été divisé en trois partie distinctes qui sont la partie mécanique (plateforme), partie électrique (capteurs d instrumentation et conception de PCB) et partie programmation (implémentation de fonctions de calcul de la position). Pour finir, l aire de la zone couverte par le centre de masse sera fournie. Ainsi, à la fin du projet on a pu arriver aux attentes voulues en calculant l aire dessinée par le centre de masse de la personne qui se tient sur la plaquette. Pour conclure, la réalisation de ce projet est d une grande utilité pour les neurologues ainsi que pour les personnes atteintes de cette maladie, car cette plateforme permettra d évaluer l avancement de cette maladie et ainsi d appliquer des traitements sur les personnes et voir si ce dernier contribue à l amélioration de la maladie ou à sa dégradation. 4

5 TABLE DES MATIÈRES Remerciements.3 Résumé.4 Table des matières 5 Tables des figures 6 INTRODUCTION...7 I.PRÉSENTATION DU PROJET..8 I.1. Description de l équipe de travail.8 I.2. Problématique du projet.8 I.3. Objectifs généraux et spécifiques du projet...9 II. ASPECTS TECHNIQUES ET ÉLÉMENTS DE CONCEPTION RELATIFS AU PROJET.10 II.1. Éléments de conception..10 II.1.1.Plateforme mécanique..10 II.1.2. Capteurs de forces..12 II.1.3. Module d acquisition Arduino..13 II.1.4. Conception du PCB.16 II.1.5. Programmation MATLAB..19 III. BILAN DES ACTIVITÉS...24 III.1 III.2 III.3 III.4 Arrimage formation pratique/universitaire 24 Travail d équipe.24 Respect de l échéancier 24 Analyse et discussion 25 CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS 26 Bibliographie 27 5

6 TABLE DES FIGURES Figure1 : Plateforme d une pèse personne.10 Figure2 : plateforme de mesure d équilibre...11 Figure3 : Cellule de charge (FX1901).12 Figure 4 : module d acquisition Arduino UNO.13 Figure 5 : format des données envoyées par le PCB.14 Figure 6 : Code implémenté sur l Arduino 15 Figure 7 : schématique du PCB.17 Figure 8 : schématique de l alimentation sur le PCB 18 Figure 9 : PCB final...19 Figure 10 : Code Matlab pour le dessin du centre de masse 20 Figure 11 : test d appuis sur les quatres capteurs..21 Figure 12 : test d appui arbitraire sur la plateforme..22 Figure 13 : test d une personne se tenant droite sur la plateforme 23 6

7 INTRODUCTION Ce projet vise à développer une plateforme qui sera destinée à déterminer la capacité d une personne, qui se tient debout sur cette dernière, à maintenir son équilibre. Et cela en dessinant le mouvement du centre de masse de la personne afin de déterminer la gravité d une maladie. La maladie en question est l ARSACS (Ataxie Récessive Spastique Autosomique de Charlevoix-Saguenay) qui est traitée par la fondation de L ataxie de Charlevoix/Saguenay. Ainsi, à travers ce rapport, il sera fourni la méthodologie de conception suivie qui est la conception de la plateforme, la réalisation du PCB ainsi que la description du programme développé pour ensuite finir avec les résultats obtenus et la discussion des atteintes des objectifs initiaux du projet. 7

8 I.PRÉSENTATION DU PROJET I.1. DESCRIPTION DE L ÉQUIPE DE TRAVAIL Coordonnateur : Promoteur : Conseiller : Jacques Paradis. Hung Tien Bui, Fondation de l Ataxie de Charlevoix-Saguenay. Hung Tien Bui. Support Technique : Francis Deschênes, Hung Tien Bui I.2. PROBLÉMATIQUE DU PROJET La fondation de l ataxie Charlevoix-Saguenay est une entité qui contribue depuis longtemps à l étude de la maladie qui porte son nom, L ataxie récessive spastique autosomique de Charlevoix-Saguenay (ARSACS). Cette dernière est héréditaire et ses premiers symptômes apparaissent chez les enfants de 2 à 5 ans. Elle se traduit par une dégénérescence de la moelle épinière ce qui cause une perte progressive du contrôle de mouvements des membres du corps humain. Ce qui rend cette maladie à part c est le fait qu elle ne touche que les personnes qui habitent cette région (Charlevoix/Saguenay), et qu elle ne se manifeste que dans certaines générations même si le gène est présent dans toutes les générations. [1] La problématique du projet se situe dans le fait que l évolution de la maladie n est pas facilement mesurable, et sa progression dans le temps n est pas bien déterminée. 8

9 Une des solutions possibles, afin de déterminer l état d avancement de cette maladie, est de pouvoir quantifier le déséquilibre d une personne atteinte de cette maladie, dans le but de déterminer le stade où se situe la personne. I.3. OBJECTIFS GÉNÉRAUX ET SPÉCIFIQUES DU PROJET L objectif principal du projet consiste à développer une plateforme pour l évaluation de l'ataxie de Charlevoix/Saguenay. En effet, une personne atteinte de cette maladie démontre de la difficulté à garder son équilibre (que ce soit en position debout vers le début de la maladie ou en position assise dans un stade avancé de cette dernière) et donc, tend à osciller lorsqu'elle tente de rester immobile. Dû à ce déséquilibre, la position de son centre de masse tend à changer, et ainsi la quantification de ce changement pourra être utilisée pour évaluer la sévérité de la maladie. Ainsi les objectifs généraux de ce projet, qui sont les mêmes élaborés au début du projet, ont été respectés et réalisés à savoir la conception de la partie mécanique se résumant en une plateforme, aussi la conception et la réalisation d un PCB possédant les caractéristiques spécifiques au projet et aussi la programmation d un algorithme de traitement des données émanant du PCB afin de calculer la position du centre de masse. 9

10 II. ASPECTS TECHNIQUES ET ÉLÉMENTS DE CONCEPTION RELATIFS AU PROJET A travers cette section, seront présentés principalement les différents éléments de conception utilisés lors de ce projet. À travers chaque élément sera fournie une description détaillée ainsi que l aspect technique auquel il touche dans ce projet. II.1. ÉLÉMENTS DE CONCEPTION Les éléments de conception dans ce projet touchent généralement à trois aspects, qui sont l aspect mécanique, l aspect électrique et l aspect informatique. Certains de ces éléments on été fournis par le conseiller (Monsieur Tine Bui) ce qui a permis de sauver de l argent sur le budget réservé au projet. D autres ont été conçus de A à Z pour répondre aux besoins spécifiques du projet. II.1.1. Plateforme mécanique Au début du projet, l idée de la plateforme a été d utiliser la plateforme d un pèse personne, vu que cette dernière présentait les caractéristiques voulus en terme de design et disposition des capteurs. Figure1 : Plateforme d une pèse personne 10

11 En effet la plateforme a été démontée afin de pouvoir étudier sa structure interne et voir si cela peut être bénéfique au projet. Après étude, il a été conclu que les capteurs utilisés sur la pèse personne ne possédait aucune fiche technique. Après beaucoup de recherche et la consultation des techniciens de l université, il a été conclu que ces capteurs n étaient fabriqué que pour le concepteur de la pèse personne, aussi ces derniers présentaient un seul signal de sortie sans un signal de référence ce qui n était pas intéressant dans le cadre du projet. Aussi, le point de fixation des capteurs ne pouvait pas être modifié afin d insérer d autre capteurs. Cela aurait demandé beaucoup plus de travail. Ainsi, afin de respecter l échéancier du projet et de bien le mener à terme, il a été plus intéressant d utiliser la plateforme fournie par le professeur. Figure2 : plateforme de mesure d équilibre La figure 2 montre la plateforme utilisée dans le projet afin de quantifier le déséquilibre d une personne qui se tient debout sur elle. 11

12 II.1.2. CAPTEURS DE FORCES Les capteurs de forces ont une structure interne basée sur les jauges de contraintes. Une cellule de charge est un composant électrique capable de traduire une déformation mécanique (la pression) en une variation de résistance et ainsi de quantifier ce qui est qualitatif Les capteurs de force, dans ce projet, constituent des pièces maitresses à la réalisation de ce dernier. En effet, ils vont permettre de mesurer la dispersion du poids sur la plateforme. Figure3 : Cellule de charge (FX1901) Comme le montre la figure 3, le capteur de force utilisé dans ce projet est un FX1901, il peut supporter une pression allant jusqu à 100 livres. Cela implique que la plateforme munie de ces 4 capteurs peut supporter une pression totale de 400 livres ce qui est amplement suffisant pour une personne normale. Ces capteurs de forces sont montés à l intérieur en pont de Wheatstone, qui est composé de 4 jauges de contraintes. Ces dernières traduiront une déformation mécanique en 12

13 variation de résistance, et le pont de Wheatstone permettra de traduire cette variation de résistance en une variable électrique (tension) quantifiable. Personne applique une pression Cellule de charge traduit en une résistance Pont de Wheatstone traduit en une tension électrique II.1.3. MODULE D ACQUISITION ARDUINO Figure 4 : module d acquisition Arduino UNO. Il s agit du PCB de la compagnie Arduino, qui est aussi programmé en langage Arduino. Ce PCB a servi pour effectuer les tests du programme de calcul développé, en effet il a permis d acquérir les données puis de les convertir du format analogique en un format numérique pour ainsi faciliter leur manipulation. 13

14 Les entrées pour Ce PCB sont les valeurs amplifiées des capteurs (A0, A1, A2 et A3) comme illustré dans la figure 4. La sortie est son port USB qui est simulé en RS 232 pour assurer une communication série avec le PC. Et voici le résultat de la communication entre l Arduino et le PC, une fois les données envoyées : Figure 5 : format des données envoyées par le PCB On remarque d après la figure 5 que les données sont envoyées sous forme d une ligne de 4 valeurs (les valeurs des capteurs au repos dans la figure), séparés par une virgule. Le code qui a permis l envoi de ces données est implémenté sur le logiciel Arduino comme le montre la figure 6. 14

15 Déclaration des variables d entrées Définition du baud rate pour pouvoir communiquer avec le PC (avec le même débit) Acquisition des données émanant des amplificateurs en utilisant la commande analogread Envoi des données sur le port série (COM5) sous le format montré à la figure5 Figure 6 : Code implémenté sur l Arduino Il est à mentionner que pour les tests, des amplificateurs externes ont été utilisés pour l amplification, d où la nécessité de concevoir un PCB qui rassemble les différents composants nécessaires à la réalisation de ce projet. 15

16 II.1.4. CONCEPTION DU PCB Comme mentionné dans la dernière section il a été nécessaire de concevoir un PCB qui rassemble tous les composants nécessaires à ce projet. En analysant les besoins du projet, il a été constaté l importance d avoir des amplificateurs sur le PCB (INA126), ensuite leurs sorties seraient des entrées pour la pièce maîtresse qui est le microcontrôleur (ATMEGA168). Une fois ces deux pièces réunis il fallait avoir un lien de communication vers l extérieur. Ainsi l UART USB, qui simule une connexion RS232 (port série), a été choisi. Ensuite il fallait avoir de pins sur le PCB pour pouvoir programmer le bootloader du µc (mini programme qui permet de lancer le programme à exécuter et de reseter le µc). Pour finir, il faut alimenter tout ces composants. Mais il faut résoudre le problème des amplificateurs qui sont alimentés en +/-5V. Donc il a été nécessaire de trouver un régulateur de tension qui permet d avoir deux tensions opposées. Il a été choisi un régulateur, qui d une tension 12 V, permet d avoir un +12V et un -12V. Ensuite chaque tension (positive ou négative) sera appliquée à un autre régulateur pour la ramener à la tension voulue, soit le +5V ou le -5V. Après ce raisonnement, il a fallut passer à la réalisation des schématique sur l outil Altium qui est un outil de conception très puissant de PCB et d autres plaques électroniques tel que les FPGA. 16

17 Et voici le schématique du PCB : Figure 7 : schématique du PCB 17

18 Figure 8 : schématique de l alimentation sur le PCB Une fois le schématique fini, on est passé à la réalisation du PCB sur Altium en effectuant les chemins entre les dessins (footprint) des différents composants du PCB. Ainsi le PCB a été dessiné et tout les chemins sur ce dernier établies. 18

19 Et voici la figure montrant le PCB final. Figure 9 : PCB final Il est à mentionner que l opération de soudage des composants a été effectuée par le technicien du laboratoire Monsieur Francis Deschênes. II.1.5. PROGRAMMATION MATLAB Matlab a été le logiciel choisi pour assurer la communication avec le PCB, à travers le port série. (En utilisant une librairie (toolbox) spécifique qui facilite cette opération) 19

20 Et voici le code implémenté sur Matlab : Figure 10 : Code Matlab pour le dessin du centre de masse Le code a été structuré de la façon suivante : - Création du lien de communication (s) et définition des propriétés de ce dernier. - Ouverture du lien. - Début de la boucle. - Envoi de la commande de synchronisation pour signifier à l Arduino que le programme est prêt à recevoir les données. - Lire la ligne. - Convertir les données sous format string en numérique et les affecter aux variables. 20

21 - Applications des fonctions de calcul de la position du centre de masse (fonctions intuitives pouvant être améliorée). X= Y= - Dessin du centre de masse. - Fin de la boucle. - Fermeture du lien de communication. - Destruction de la variable affectée au lien. Les résultats obtenus, en exécutant en premier lieu le code de l Arduino et en second lieu celui sur Matlab, sont satisfaisants car il a été possible de dessiner le centre de masse d une personne se tenant debout sur la plateforme. Mais comme indiqué le calcul du centre de masse peut être optimisé en utilisant d autres fonctions. Et voici les images qui le montrent : 21

22 Figure 11 : test d appuis sur les quatres capteurs Ce test s est résumé à appuyer sur chaque coin de la plateforme, et on remarque bien que le centre de masse suit vraiment la zone d appui sur la plateforme. Ensuite un autre test a été effectué, dont voici l image. 22

23 Figure 12 : test d appui arbitraire sur la plateforme. Ce test se résume à ce qu une personne se tienne sur la plateforme et se met à bouger. On remarque que le point sur la figure suit bien le centre de masse de la personne. 23

24 Figure 13 : test d une personne se tenant droite sur la plateforme. On remarque pour ce test que les centres de masse dessinés sont tous localisés dans une région bien précise ce qui confirme que la personne possède un bon équilibre sur la plateforme. 24

25 III. BILAN DES ACTIVITÉS III.1 ARRIMAGE FORMATION PRATIQUE/UNIVERSITAIRE Les connaissances acquises lors de la formation universitaires ont été d un grande aide dans l élaboration de ce projet, et surtout dans la compréhension des différents aspects auxquels il touche. Que se soit un aspect de mon domaine d étude (qui est l informatique) ou d autres domaines tels que la mécanique ou l électronique. Ainsi le cours de matériaux m aidé à comprendre le principe des capteurs de forces et surtout des jauges de contraintes (déformation élastique, et déformation mécanique). Ensuite les cours d électroniques et Mesures et instrumentations m ont permis d apprendre comment utiliser un datasheet pour pouvoir lire un datasheet et comprendre les spécifications des différentes pièces ce qui m a permis de bien choisir les pièces du PCB. Aussi à travers ce projet j ai pu concevoir pour la première fois un PCB ce qui représente un plus dans ma formation. III.2 TRAVAIL D ÉQUIPE Ce projet a été effectué de manière individuelle. La seule contribution a été de la part de Monsieur Francis deschênes, technicien à l université, dans le soudage des composants sur le PCB, aussi Monsieur Tien Bui conseiller dans ce projet m a aidé par ses conseils qui m ont facilité la compréhension des différentes parties du projet. Aussi les idées d autres étudiants que j ai appris à mieux connaitre m ont bien aidé car ça m a permis de connaitre d autres façons de faire les choses. III.3 RESPECT DE L ÉCHÉANCIER La réalisation du projet a respecté dans sa majorité l échéancier élaboré au début de la session, et les résultats attendu pour le projet ont été atteint. 25

26 III.4 ANALYSE ET DISCUSSION Les résultats obtenus dans ce projet sont satisfaisants, mais il reste un autre aspect qui pourrait donner plus de précision aux figures (12,13) montrés dans ce rapport. Ce point c est le calcul d air de la surface qui pourrait être plus significatif et quantifier plus le déséquilibre d une personne en une valeur réelle, mais ca restera une valeur approximative vu que la surface couverte par le centre de masse n est pas uniforme. 26

27 CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS En conclusion, la réalisation du projet a permis de respecter en premier lieu l échéancier, Et les objectifs principaux énoncés au début du projet en deuxième lieu. Ainsi la conception et réalisation du PCB et la programmation sur Arduino et sur Matlab a été effectuée afin d arriver à un résultat satisfaisant. Cela rend ce projet un succès. En effet à travers ce projet, les personnes atteintes de l ARSACS pourront avoir un moyen de constater l évolution de la maladie. LA fondation de l ataxie de Charlevoix- Saguenay aura ainsi un moyen pour mieux évaluer la progression de L ARSACS. Certes L idée de quantifier le déséquilibre est un bon moyen pour évaluer l évolution de la l ARSACS mais d autres tests pourront aussi être déployés pour connaitre d autres aspects de cette maladie. En recommandation, une attention plus particulière à l esthétique de la plateforme pourrait être un atout pour le projet. Aussi, les fonctions de calcul des coordonnées du centre de masse pourraient être améliorée afin d obtenir des résultats plus pointilleux destinés à d autres applications qui ont en besoin. 27

28 Bibliographie [1]