FICHE SYNTHESE CI2A1. I/ Les solutions techniques pour réaliser les fonctions motrices «avancer», «pivoter», «reculer», s'arrêter.

Transcription

1 Etude de solutions techniques existantes (1 / 6) Pour réaliser une même fonction technique, plusieurs solutions techniques peuvent exister. Nous allons voir les solutions techniques présentes sur le robot aspirateur Roomba et le robot Lego NXT. I/ Les solutions techniques pour réaliser les fonctions motrices «avancer», «pivoter», «reculer», s'arrêter. Le robot Roomba possède 2 moteurs électriques avec système d'engrenages. Le robot Lego NXT possède 2 servomoteurs électriques avec système d'engrenages. Les moteurs et servomoteurs électriques peuvent tourner dans les 2 sens. A même vitesse, cela permet d'avancer ou de reculer en ligne droite. Avec un moteur/servomoteur dans un sens et le 2e moteur/servomoteur dans l'autre sens, le robot pivote. En stoppant l'alimentation, les robots s'arrêtent. Moteur électrique : il transforme une énergie électrique en un mouvement de rotation. Pour faire simple, le courant électrique crée un champ magnétique dans une bobine mobile (rotor) qui va être repoussée par un aimant fixe (stator). Servomoteur électrique : c'est un moteur électrique capable d'atteindre une valeur d'angle précise et de la maintenir. Un moteur électrique seul n'en est pas capable. Système de réduction par engrenages : les engrenages sont des roues dentées qui permettent de transmettre un mouvement de rotation. Lorsque 2 engrenages n'ont pas le même nombre de dents, ils n'ont pas la même vitesse, on parle de réduction. La vitesse de l'engrenage mené (en sortie) est donnée par la formule : Ws= Ze Zs We Ws : vitesse de rotation de sortie We : vitesse de rotation d'entrée Zs : nombre de dents du pignon de sortie (roue menée) Ze : nombre de dents du pignon d'entrée (roue menante).

2 Etude de solutions techniques existantes (2 / 6) Par exemple, avec un pignon d'entrée à 8 dents et un pignon de sortie à 24 dents et une vitesse d'entrée (celle 10 du moteur) à 3000 tours/min, on obtient une vitesse de sortie (celle de la roue) de soit 1000 tr/min. On divise la vitesse par 3. Le rapport de réduction est 1 :3. A l'inverse, on a la relation entre les couples : Cs= Zs Ze Ce Cs et Ce sont les couples d'entrée et de sortie. Le couple est en gros une «force de rotation», exprimée en N.m, on le calcule en multipliant une force F (unité Newton, symbole N) par la longueur d'un bras de levier l (en mètres par ex.) Un couple insuffisant dans un moteur ne permet pas au véhicule de «s'arracher» au démarrage. II/ Les solutions techniques pour réaliser la fonction «détecter des obstacles». 1/ Détecter les obstacles au contact. Des capteurs de contact situés dans le pare-choc du Roomba ou le capteur appelé capteur tactile du Lego permettent de détecter un obstacle par contact. Ces capteurs agissent comme des interrupteurs, on trouve aussi le terme microrupteur. 2/ Détecter les obstacles à distance. Le Roomba utilise des détecteurs infrarouges situés dans le pare-chocs ; le robot Lego NXT utilise un détecteur à ultrasons. Capteur infrarouge du Roomba Capteur à ultrasons du robot Lego NXT

3 Etude de solutions techniques existantes (3 / 6) Le capteur infrarouge (IR) de détection d'obstacle : une diode infrarouge émet un rayonnement infrarouge pulsé à une fréquence précise, dans le cas du Roomba 38 khz (kilohertz). Un récepteur est calibré sur la même fréquence. Lorsque le rayonnement infrarouge rencontre un obstacle suffisamment proche, le rayonnement se reflète sur la surface et atteint le récepteur. Le détecteur infrarouge n'est pas sensible au type de matériau mais à la couleur de celui-ci, une cible de couleur sombre sera beaucoup moins réfléchissante qu'une surface claire. La distance maximale de détection sera donc fonction de la couleur de la cible. Le rayonnement infrarouge («en deçà du rouge» du latin infra : «plus bas») est un rayonnement électromagnétique, au même titre que la lumière, mais invisible à l' œil nu. Le rayonnement infrarouge est associé à la chaleur car à température ambiante ordinaire, les objets émettent spontanément des radiations dans le domaine infrarouge. Toutefois, il est possible de générer un rayonnement infrarouge qui ne soit pas thermique, par exemple, les diodes infrarouge «n'émettent pas de chaleur». violet rouge Le capteur à ultrasons : il a la forme d une paire d yeux car il y a deux parties essentielles : L émetteur (un œil) Le récepteur (l'autre œil). L émetteur émet une onde sonore à une fréquence définie (généralement autour de 40 khz) et le récepteur collecte l'onde sonore répercutée par les obstacles. La distance aux objets est calculée par le temps mis par le son pour revenir au récepteur. La fréquence choisie est supérieure à la fréquence maximale audible par l'homme (20 khz), on parle donc d'ultrasons. Comment est calculée la distance séparant le robot d'un obstacle? Les ultrasons, comme toute onde sonore, se déplacent à la vitesse de 340m/s environ dans l'air. Le robot mesure le temps mis par l'onde ultrasonore pour parcourir l'aller-retour entre lui et l'obstacle. Distance totale parcourue La formule donnant la vitesse est V = Temps de parcours Pour un aller-retour, si d est la distance entre le robot et l'obstacle, l'onde parcourt une distance 2d en un temps t.

4 Etude de solutions techniques existantes (4 / 6) V = 2d t d'où 2d=V t d'où d = V t 2 V est connu : 340 m/s t est connu puisque mesuré par le robot. d se déduit facilement. N.B : le fait de mesurer la distance d'un objet lointain s'appelle la télémétrie et l'appareil permettant de déterminer la distance d'un objet s'appelle un télémètre. Notre capteur d'ultrasons est donc un télémètre à ultrasons. Caractéristiques générales des capteurs à ultrason et infrarouge. Ultrason Portée De 1 à 250 cm De 5 à 80 cm Directivité Cône d environ 30 Précision Cela provoque un manque de précision dans la localisation des obstacles mais permet de détecter des obstacles «minces». Relativement précis mais la précision diminue avec la distance, l angle de mesure et les conditions de température et de pression. Cône d environ 5 Coût Assez chers Peu chers Sensibilité aux interférences Sensible à la température et à la pression. Egalement sensible aux autres robots utilisant la même fréquence ce qui peut poser problème dans une compétition. Infrarouge Plus précis, le capteur peut toutefois «manquer» un obstacle mince qui serait en dehors de ce cône. Relativement précis mais la précision diminue avec la distance. Sont sensibles aux fortes sources de lumière qui contiennent un fort rayonnement infrarouge. Sont également sensibles à la couleur et à la nature des obstacles

5 Etude de solutions techniques existantes (5 / 6) III/ Les solutions techniques pour réaliser la fonction «détecter des escaliers». 1/ Détecter les escaliers par contrôle de la distance. Le Roomba utilise des capteurs infrarouges pour détecter le sol et donc les escaliers. La technologie est la même que pour les capteurs infrarouges de détection de distance, on s'assure juste que le rayonnement est reflété en continu car cela prouve la présence d'un sol sous le robot. C'est la raison pour laquelle le constructeur précise que le Roomba peut mal fonctionner sur un sol sombre. On pourrait utiliser le capteur à ultrasons avec le même principe sur le robot Lego. 2/ Détecter les escaliers par contrôle de la luminosité. Le robot Lego NXT peut utiliser un détecteur photosensible pour détecter les escaliers. Le capteur photosensible : il émet une lumière visible (rouge) et mesure la quantité de cette lumière qui est réfléchie par une surface. Le capteur mesure la luminosité reçue en pourcentage de la luminosité émise (%). Sur une surface blanche, la mesure vaut 100% car la lumière se reflète entièrement. C'est 0% sur une surface noire. Dans le cas d'un escalier, l'intensité de la lumière reflétée est très faible (le rayon lumineux émis est assez faible, il se diffuse dans la luminosité ambiante et «se perd»). Le capteur photosensible permet aussi de mesurer la quantité de lumière émise ou réfléchie par un objet. Il peut ainsi mesurer la luminosité ambiante émise par une source lumineuse comme une ampoule ou le soleil. IV/ Les solutions techniques pour réaliser les autres fonctions. 1 / Signalisation visuelle du fonctionnement : les DEL (diodes électroluminescentes) ou LED en anglais sont la solution technique privilégiée car elles sont économes en énergie et ont une grande durée de vie. Leur luminosité assez faible n'est pas un inconvénient dans une fonction signalisation. 2/ L'interface logicielle permettant de programmer le robot Lego NXT est Mindstorms Edu NXT. 3/ La connexion physique est assurée par liaison USB. 4/ Allumer, éteindre ou réinitialiser le robot : par des boutons poussoirs, parfois des interrupteurs. 5/ Etre démontable : les systèmes vis/écrous se retrouvent partout. La technologie Lego permet une grande flexibilité dans le montage. 6/ Etre transportable une poignée amovible, un poids et des dimensions réduits permettent d'assurer cette fonction. 7/ L'autonomie en énergie est assurée par une batterie pour le Roomba et le robot NXT. Ce dernier peut être alimenté par des piles également. La première solution est plus économe à l'usage mais plus coûteuse à l'achat et difficile à mettre en œuvre.

6 Etude de solutions techniques existantes (6 / 6) V/ Quelques précisions sur les robots. Un robot se compose de 6 parties principales : le socle (ou châssis) sur lequel sont fixés les différents éléments, la source d énergie, les actionneurs*, les capteurs* internes (charge de la batterie, température, etc) les capteurs* externes (de position, d'inclinaison, etc), le système de traitement de l information (micro-processeurs, etc) *Capteur : élément qui permet de détecter une information. Dans le cas de la robotique, les capteurs permettent au robot de percevoir son environnement. *Actionneur (ou effecteur) : organe qui, quand il reçoit une commande, exécute une tâche, donc effectue une action. Par exemple les moteurs sur un robot sont des actionneurs. Quatre critères permettent de définir un robot : Communicant : capable d envoyer des informations à un humain (ou à un système) et/ou d'en recevoir, par l'intermédiaire d'une interface intégrée (écran, boutons, etc) ou par transmission (WiFi, Bluetooth, etc). Interprète : il peut interpréter les informations reçues ou détectées: suivant la nature de celles-ci, l'action sera différente. Autonome, ou semi-autonome : capable d agir sans l intervention d un humain (autonome), ou avec intervention partielle d'un humain (semi-autonome). Mobile : capable de mettre en mouvement certaines parties le constituant ou de se mouvoir sans l intervention d un humain.