PROJET ISN 2014 : Voiture robot

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1 PROJET ISN 2014 : Voiture robot Dossier de : Meraimi Isam COEQUIPIERS : - François Desprez - Jérémy Tachel SOMMAIRE

2 I- Présentation préliminaire 1. Présentation du cahier des charges 2. Présentation de la voiture robot 3. Choix des logiciels de simulation et d acquisition II- Etude des capteurs 1. Identification des capteurs et étude de leur modèle comportementale 2. Simulation du capteur de lumière LDR 3. Protocole de mesure pour vérifier les performances des capteurs III- Conception du banc de test 1. Conception du schéma du banc de test 2. Conception numérique du banc de test

3 Présentation du cahier des charges : THÈME SOCIÉTALE : Robotique ENJEU : Afin d'optimiser nos chances de remporter un concours de robotique, on souhaite connaître et maitriser les performances d'un véhicule robot. Lors de ce concours, notre robot devra être capable de s'orienter de façon autonome dans un milieu inconnu. L'aspect esthétique ne devra pas être négligé c'est pourquoi la conception d'une coque doit être prévue. PROBLÉMATIQUE : Comment connaître et maitriser les performances d'un véhicule robot? Comment rendre ce véhicule robot esthétique? Diagramme pieuvre Utilisateur FC2 FC1 Concours robotique FP1 Energie FC5 Voiture Robot FC3 Capteurs FC6 Esthétisme Traitement informatique Obstacles à contourner Acquisition des grandeurs physiques

4 FONCTIONS DE SERVICE CRITERES NIVEAUX Vitesse FP1 Permettre à l'utilisateur de maitriser les performances du véhicule robot Accélération / Deccélération Maxi en marche avant et en marche arrière Rayon de braquage FC1 Se classer correctement Classement final Dans les 3 premiers FC2 Aucune intervention de l'utilisateur lors du déplacement du véhicule Autonomie du véhicule Totale FC3 Utiliser les capteurs présents sur le véhicule FC4 Utiliser un logiciel de programmation et un logiciel de simulation adapté Capteurs infrarouge Capteur sonore Capteur lumière Réel Simulé Distance mini et maxi Intensité mini (db) Luxmètre angle Labview Arduino DecPic16 Flowcode Matlab Scilab Sinusphy Avimeca FC5 Utiliser l'energie disponible: Tension et courant continues 7,2V - 2A FC6 Avoir une forme pratique et un design esthétique fixation Capteurs Accès à la conectique La plus simple possible Ne pas altérer leurs fonctionnements Sans démontage FC7 S'adapter à une carte d'acquisition existante Carte d'acquisition NI-usb-6809 Arduino-uno PIC- 18F456 FC8 Contourner les obstacles du parcours (challenge) Largeur - Longueur 40 cm - 50 cm Nous avions donc pour but de répondre à ces fonctions en menant premièrement une étude générale sur le fonctionnement de la voiture robot (repérage des différents composants, capteurs, etc.). PRÉSENTATION DES ÉLÉMENTS DE LA VOITURE ROBOT

5 La voiture robot peut donc effectuer plusieurs tâches grâce à ses différents composants. Premièrement, la liaison avec l ordinateur se fait avec un port USB. Nous avons aussi deux boutons poussoirs réglables par l utilisateur : nous pouvons choisir de faire jouer le buggy un son lorsque nous cliquons sur l un des boutons. Ce son sera joué grâce au haut-parleur. Il y a en plus de ces boutons «basiques» une prise d extension pour «E-Blocks». En effet, l entreprise qui fabrique ces voitures robot propose différents blocks (écrans, détecteurs, etc.) pour différents utilisations. Puis il y a les différents capteurs qui sont inclus dans chacune de ces voitures robot : le capteur de lumière, les 3 capteurs de distance, ainsi que le suiveur de ligne. J expliquerai le fonctionnement de ces capteurs plus bas. Choix des logiciels de simulation et d acquisition Pour simuler les différents capteurs, le logiciel Proteus isis semble être tout à fait adapté. En effet, grâce à sa bibliothèque d éléments nous pouvons simuler différents types de composants électriques. De plus, son utilisation reste assez simple et les résultats semblent satisfaisants. Nous pouvons aussi utiliser Matlab pour simuler (si nous avons besoin de tracer des fonctions, etc.) car ce logiciel est aussi très complet et nous avons eu une première approche avec pendant l année scolaire. Pour simuler le fonctionnement du buggy selon un certain algorithme, le logiciel Flowcode est la solution idéale. En effet, il a été développé par matrix multimedia, même société qui produit le buggy. De plus, le logiciel flowcode permet de simuler directement ce que ferait le buggy s il rencontrait un obstacle. Identification des capteurs et étude de leur modèle comportementale Il y a 3 différents types de capteurs intégrés dans la voiture robot : - Capteur de lumière - Capteur de distance - Suiveur de ligne

6 Capteur de lumière : Le capteur de lumière est en faite une résistance. Sa résistance au courant est très élevée lorsque le capteur n est pas éclairé (allant jusqu à ohms). Il empêche donc le courant de passer s il n y a pas d éclairage. Lorsque nous l éclairons, sa résistance diminue et donc permet de laisser passer le courant. Il n est pas précisé quel modèle de capteur est utilisé sur la voiture robot donc nous prendrons un modèle quelconque pour l étude du capteur. Voici l allure de la courbe d un tel capteur : Capteur de distance : Le capteur de distance est constitué de deux composants : une diode émettrice et d un phototransistor.

7 Le fonctionnement est assez simple : la diode émet un rayonnement infrarouge (invisible à l œil nu). Ce dernier est réfléchi par l obstacle et revient avec une certainee énergie (l énergie est inversement proportionnelle au carré de la distance, donc E = K *(1/d² ²)). Ce rayonnement réfléchi revient au phototransistor. Le phototransistor délivre par la suite un courant électrique selon l irradiance qu il a reçu et la voiture robot peut donc connaître la distance qui la sépare de l obstacle. Diode émettrice : Le buggy est fourni avec une diode émettrice TSAL5100. Elle émet avec une longueur d onde de 940 nm (infrarouge). Phototransistor : La référence du phototransistor est BPV11F. Il reçoit toutes les longueurs d ondes comprises entre 900 et 980 nm (infrarouge). Le courant qu il délivre est proportionnel au rayonnement lumineux qu il absorbe comme on peut le voir d après cette fonction :

8 Le phototransistor ne reçoit pas aussi bien l éclairement lumineux selon l angle que ce dernier lui vient, mais il reçoit quand même sur un angle de 80. Toutefois on peut estimer qu il reçoit toujours avec un angle compris entre 0 et 10 au vu du placement du phototransistor. Suiveur de ligne : Le suiveur de ligne a un fonctionnement similaire au capteur de distance. Il y en a deux en bas de la voiture. La différence est que l énergie lumineuse sera nulle (ou presque) lorsque la radiation va rencontrer une ligne noir : elle ne va pas réfléchir, et lorsqu elle va rencontrer autre chose qu une ligne noir ( => on sera dévié par rapport à la ligne à suivre), le phototransistor va être «activé» et va donc envoyer un courant, qui sera le déclenchement du processus de remise sur le bon chemin de la voiture. Voilà deux schémas qui expliquent le principe de fonctionnement : Ici nous voyons bien que le rayonnement n est pas réfléchi par la ligne noire : le phototransistor ne reçoit rien et la voiture robot ne doit du coup pas modifier sa trajectoire Lorsque la ligne n est plus une ligne droite mais courbe, le capteur droit par exemple n enverra plus son rayonnement dessus, et la lumière va donc réfléchir et atteindre le

9 phototransistor : la voiture robot aura donc pour instruction de tourner du bon côté (ici vers la gauche) pour faire en sorte que le phototransistor ne reçoive plus de rayonnement, c est à dire que les deux capteurs soient directement au dessus de la ligne noir. Simulation du capteur de lumière LDR : Grâce au logiciel proteus isis, nous pouvons simuler le fonctionnement du capteur lumière : L approchement de la lampe signifie l augmentation des lux. Nous constatons que lorsqu elle est loin, les courant qui passe est de 4,95 μa alors que lorsqu elle est proche, il passe à 476 μa. Il y a donc bien variation de courant selon l éclairement lumineux.

10 Voilà le même schéma avec un autre type de LDR, cette fois ci avec les valeurs en lux et en ampère Lorsque nous récupérons les valeurs, nous obtenons une réponse linéaire pour ce type de capteurs :

11 Protocole de mesure pour vérifier les performances des capteurs - Capteur de lumière : Approcher une lumière (ex : lampe) vers le buggy et regarder au bout de quelle distance le buggy repère cette lumière (en programmant une DEL pour s allumer lorsque le LDR laisse passer un certain courant). - Capteur de distance Tester si le capteur de distance détecte bien la distance normalement sur différents types de murs - avec un mur «normal» - avec un mur coloré au feutre noir - avec un miroir - avec un obstacle qui est «incliné», voir si le rayonnement est quand même réfléchi : - Suiveur de ligne Tester si le suiveur de ligne peut repérer une autre ligne qu une ligne noire. Puis tester s il peut différencier une ligne rouge et un sol orange, par exemple. Il faudrait aussi tester la vitesse du buggy.

12 Conception du schéma du banc de test Grâce à un tel banc de test, nous pouvons facilement mesurer la vitesse de rotation, il suffit de coller un codeur incrémental en face du cylindre qui tourne (il faut diviser le cylindre en 8 par exemple, puis colorier les parties en noir et blanc, l un après l autre. Il suffira par la suite de savoir combien le codeur a détecté de changements de couleurs pour déduire combien il y a eu de rotations de cylindre. Il suffit ensuite de diviser par le temps mis pour faire la mesure et nous obtenons la vitesse.)

13 Conception numérique du banc de test Voici le banc de test, effectué avec le logiciel SolidWorks : Pour mesurer les performances du capteur distance, nous avons besoin d une pièce qui fait office de surface qui s approche et recule. Nous pouvons donc utiliser une pièce qui translate sur un axe et qui peut pivoter pour pouvoir la «cacher» lorsque nous n avons pas besoin de mesurer les performances du capteur de distance

14 Voilà la version numérique de cette pièce : Bibliographie : -Capteur de distance réferrence Emetteur : Récepteur : -Suiveur de ligne -Capteur LDR (light dependant resistance) -Codeur incrémental -Irradiance