Robot Suiveur de Ligne

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1 Robot Suiveur de Ligne Projet ERS1 Année V4.2 Jacques André Anne Martin Groupe AB IUT de Nîmes Département Génie Électrique & Informatique Industrielle Correcteurs : Gérard Gervois Frédéric Giamarchi

2 Sommaire Présentation... 4 La robotique mobile... 5 Cahier des charges... 6 Organisation... 7 Planning... 7 Étude du montage... 8 Principe d'un robot Suiveur de Ligne... 8 Étude des différentes fonctions... 8 FP1 - Le châssis... 8 FP2 - Le détecteur de ligne... 9 La connectique... 9 FP3 La carte de gestion FS31 Le connecteur de Puissance FS32 - Mise en œuvre des capteurs de ligne FS33 - Contrôle des moteurs FS34 - Interface des moteurs FS35 - Variateur de vitesse Schéma complet C.A.O. Conception assisté par ordinateur Saisie de schéma Les diverses fonctions Routage de la carte Fabrication Outillage Fiches techniques Fiche de commande Fiche de fabrication Fiche de tests... 3 Bilan... 4 Résultats... 4 Projection... 4 Conclusions personnelles... 5 Bibliographie... 6 IUT de Nîmes Département GEII page 2

3 Annexes... 7 Composants... 7 Résistance :... 7 Condensateur :... 7 Diode :... 7 Transistor :... 7 Amplificateur Opérationnel :... 7 Capteur optique :... 8 Régulateur... 8 Plaque d'essai :... 8 IUT de Nîmes Département GEII page 3

4 Présentation Le module Études et Réalisations permet aux étudiants en IUT Génie Électrique de découvrir l'apprentissage par Projets et Problèmes. Un projet consiste à étudier et réaliser un montage. Ce document consiste à faire étudier un montage électronique de A à Z. Après une présentation du montage, ses applications, celui-ci est entièrement étudié et dimensionné. Par la suite, le schéma et la carte électronique (circuit imprimé) sont dessinés. Enfin, la fabrication du montage est réalisée et celui-ci testé. Un document (rapport de stage) est rédigé permettant de garder une trace de travail effectué. Ce document en est la trame. Vous devrez le compléter au fur et à mesure des séances. Les arènes de Nîmes IUT de Nîmes Département GEII page 4

5 La robotique mobile Rédigez un texte relatant l'état de l'art en robotique actuellement. Histoire, fiction, réalité et futur de la robotique. IUT de Nîmes Département GEII page 5

6 Cahier des charges Il s'agit de réaliser une carte électronique pour compléter un robot suiveur de ligne et participer à une compétition interne, afin d'être le plus rapide. 2 capteurs 2 moteurs 1 pile 9V IUT de Nîmes Département GEII page 6

7 Organisation Le projet doit se dérouler sur 7 séances de 4h. Une séance peut être décomposée en 2 parties ou s'associée à une autre séance pour une étude de durée supérieure à 4h. 1 ère séance : Présentation du projet et étude détaillée du montage 2 ème séance : Étude détaillée du montage Choix des valeurs des composants 3 ème séance : Présentation du logiciel Eagle - Dessin du schéma du montage et création d'un composant 4 ème séance : Découverte de l'éditeur Board (Eagle) 5 ème séance : Suite dessin des pistes du montage 6 ème séance : Fabrication de la carte électronique 7 ème séance : Test de la carte électronique avec tableau de mesures Planning Le planning permet de visualiser les diverses tâches réparties dans le temps. Il est défini par les délais imposés et la durée des diverses tâches. IUT de Nîmes Département GEII page 7

8 Étude du montage Le montage est décomposé en plusieurs fonctions qui sont étudiées séparément. On peut supposer dans un premier temps que chaque fonction est totalement indépendante des autres. Principe d'un robot Suiveur de Ligne Étude des différentes fonctions Le montage comporte plusieurs éléments qui ensemble constitue le robot mobile suiveur de ligne. Chaque élément est une fonction principale (FPx)qui est, soit mécanique, soit électronique, soit mixte. Chaque fonction principale peut-être décomposée en plusieurs sous fonctions appelées fonctions secondaires (FSxy). Nous ne traiterons que les parties qui comportent des éléments électriques. FP1 - Le châssis Le châssis correspond à la structure mécanique principale. Il est réalisé par un circuit imprimé. Cela lui permet de supporter le circuit électrique d'alimentation et aussi celui des deux moteurs. L'ensemble des signaux étant disponible sur un connecteur à 6 points. IUT de Nîmes Département GEII page 8

9 FP2 - Le détecteur de ligne Le détecteur de ligne est un montage qui utilise trois capteurs optiques à réflexion. Mais dans le cadre du 1er semestre, nous utiliserons seulement les 2 capteurs extérieurs. La connectique La connectique permet de relier les divers éléments entre eux. On utilise des connecteurs normalisés et des fils électriques. Certaines liaisons sont particulières, c'est le cas de la connexion électrique entre la carte châssis et la carte contrôleur. Un connecteur mâle de la carte contrôleur vient s'enficher dans le connecteur femelle de la carte châssis. C'est une contrainte importante lors du dessin de la carte contrôleur. IUT de Nîmes Département GEII page 9

10 FP3 La carte de gestion Cette fonction réalise la gestion du mobile. Elle regroupe les fonctions secondaires de gestion de l'énergie, de lecture des capteurs, de traitement des informations et de commande des moteurs. FS31 Le connecteur de Puissance FS32 - Mise en œuvre des capteurs de ligne Calcul des éléments : Cette fonction comprend 3 résistances qui doivent être dimensionnées. Nous utiliserons la loi d'ohm et la loi des mailles pour choisir leur valeur. Calcul de R1 : Calcul de R2, R3 : R 1 = E 3V D I D = R 2,3 = E V CE I C = IUT de Nîmes Département GEII page 10

11 FS33 - Contrôle des moteurs Il faut étudier le fonctionnement de l'amplificateur opérationnel suivant les valeurs des signaux d'entrée. Ensuite il faut calculer la valeur des résistances R5 et R6 dans chaque branche en sortie en fonction de la couleur des Leds rouge et verte. Et il faut dimensionner la résistance variable RV1. Calcul de R4, R5 : Calcul de RV1 : R 4,5 = V S V D I D = Calcul de C3 : IUT de Nîmes Département GEII page 11

12 FS34 - Interface des moteurs Il faut étudier le rôle du transistor, de la diode et de la résistance R7. Puis il faut dimensionner ces 3 composants. Choix des transistors T1, T2 : Calcul de R6, R7 : Calcul des diodes de roue libre D3, D4 : R 6,7 = V S V BE I B = IUT de Nîmes Département GEII page 12

13 FS35 - Variateur de vitesse Cette fonction permet d'obtenir une tension pour les moteurs, plus basse que la tension d'entrée. Cette tension plus basse permettra de régler la vitesse maximale des moteurs. La valeur de la tension sur l'émetteur du transistor est définie en fonction de la valeur de la résistance ajustable RV2. Quelle sera cette valeur de tension sur le curseur de la résistance ajustable est à mi-course? Calcul de R8 : Choix pour T3 et T4 : Problématique avec un seul transistor : R 8 = E V D I D = Imot = 300mA beta = 100 Ib = 3mA IRV2 = 30mA conso. excessive!!! Puissance : P=UI=(9-5).0,3=1,2W Calcul de RV2 : Calcul de C1, C2 : IUT de Nîmes Département GEII page 13

14 Schéma complet IUT de Nîmes Département GEII page 14

15 C.A.O. Conception assisté par ordinateur Il n'est plus concevable de réaliser un projet électronique sans dessiner proprement son schéma structurel. Pour cela, il existe plusieurs logiciels plus ou moins professionnels. Parmi ceux-ci, le logiciel Eagle de la société Cadsoft est un des plus connus et reconnus par la communauté des spécialistes. Une version gratuite est disponible permettant d'utiliser ce produit avec très peu de contraintes pour un débutant. Il a été élu meilleur logiciel électronique 7 fois depuis Saisie de schéma Dessiner un schéma électronique avec un logiciel spécialisé demande quelques précautions élémentaires et un peu de rigueur afin de suivre les diverses étapes. Voici une liste des opérations à faire dans l'ordre pour un débutant. Mais après quelques schémas, on pourra les adapter à sa guise. 1. Placer la grille au format 1/10 de pouce (inch) Grid 2. Placer un cadre au format A4 paysage Add 3. Sauvegarder votre schéma avec un nom explicite Save 4. Placer un exemplaire de tous les composants nécessaires 5. Regrouper les composants de chaque fonction Move 6. Dessiner les liaisons électriques Net 7. Dessiner des liaisons implicites Net, Label et Name 8. Donner des valeurs aux composants passifs Value 9. Faire un test électrique et corriger les erreurs et les warnings Erc 10. Utiliser des outils graphiques pour améliorer la présentation Line et Text 11. Générer des fichiers images *.png pour chacune de vos fonctions File/Export/Image Les diverses fonctions Les différentes fonctions sont dessinées et nommées. La fonction principale est associée à la troisième carte électronique FP3. Elle regroupe les fonctions secondaires FS31, FS32, FS33, FS34 et FS35. Routage de la carte Router une carte électronique consiste à dessiner les liaisons électriques entre les composants. IUT de Nîmes Département GEII page 15

16 Cette activité est loin d'être évidente même pour un électronicien. En plus des connaissances élémentaires en électronique, elle nécessite des connaissances sur la technologie des composants, leurs boitiers ou encore sur les pistes dessinées. Voici une liste des opérations à faire dans l'ordre pour un débutant. 1. Basculer du schéma vers le circuit (Board) 2. Sélectionner les couches à afficher Display Supprimer 22, 24, 26, 27, 28 et Placer la grille au format 50 mil (50 milli inch) Grid 4. Grouper les composants pour les déplacer ensemble dans le cadre Group 5. Redimensionner la taille du circuit imprimé en fonction du design du projet. 6. Placer cote à cote sur l'écran le schéma et le board. 7. Déplacer et regrouper les composants appartenant à une fonction secondaire. Show 8. Par fonction secondaire, déplacer et tourner les composants afin que les fils ne se croisent plus. Il ne doit y avoir aucun composant sur les bords. 9. Tracer un polygone autour du circuit afin de créer un plan de masse Polygon Le plan de masse a un rôle électrique essentiel, mais permet aussi de se simplifier le routage, en réalisant les liaisons vers la masse de façon automatique. 10. Tracer manuellement les pistes entre les composants sur la couche 16 (Bottom) Route Il ne doit y avoir aucune piste sur les bords. Si vous devez placer un strap, il doit être vertical ou horizontal et le plus court possible. 11. Ajouter un texte sur chaque face cuivrée (votre nom en Size 100 et ratio 12%). 12. Sélectionner les couches pour exporter le dessin du circuit imprimé Display Supprimer toutes les couches et sélectionner 16, 17, 18 et 20 IUT de Nîmes Département GEII page 16

17 Fabrication La phase de réalisation du projet fait appel à un outillage spécifique associé à des procédures de soudure et de test. La fabrication du circuit imprimé est une phase réalisée de plus en plus à l'extérieur des entreprises par des sociétés spécialisées. Sur notre département, un technicien est responsable de cette fabrication très technique. Outillage Le fer à souder est un outil indispensable. Une pince plate sert à tenir les composants. La pince coupante est aussi un outil très utile. La pompe à dessouder permet de réparer des erreurs La pince à dénuder est utile pour préparer les fils. Un jeu de petits tournevis (plat, cruciforme). Un multimètre pour réaliser les premiers tests. IUT de Nîmes Département GEII page 17

18 Fiches techniques Une fiche technique est un document d'aide pour une tâche donnée. La fiche de commande permet de lister les éléments nécessaires au montage. Elle permet de rédiger un bon de commande auprès d'un fournisseur de composants. La fiche de fabrication permet de placer et de souder les composants sur la carte. Ce document regroupe sur deux pages, le schéma du montage avec la position des diverses fonctions au recto et le circuit imprimé et le dessin d'implantation des composants avec la liste des composants au verso. La fiche de test permet de vérifier la carte en suivant une procédure et de proposer une méthode en cas de panne. Ce document donne des procédures de test pour divers points de la carte avec un tableau des valeurs théoriques calculées lors de l'étude et des cases vides qui doivent être remplies pendant la phase de test. Les différences doivent être indiquées. Si l'un des tests échoue, il faut trouver le défaut et proposer une réparation de la carte. C'est une phase de maintenance. IUT de Nîmes Département GEII page 18

19 Fiche de commande La fiche de commande est la liste des composants. Si les composants ne sont pas disponibles dans le stock de votre société, alors ils doivent être commandés auprès d'un fournisseur. Dans ce dernier cas, cette liste sera complétée avec les références des composants chez le fournisseur choisi et le prix unitaire, par ligne et total. Liste des composants Résistances 1 1kΩ 1/4W (marron, noir, rouge, or) 1 4,7kΩ ajustable horizontal Condensateurs 1 100µF/16V Radial 1 47nF Radial Semi-conducteurs 1 Led Rouge 5mm 1 Zener 5,6V DO 34 2 BC635 TO92 Divers 1 Conn 2x05 Barrette sécable male 1 Bouton poussoir vertical 1 support DIL 08 2 Contact Pile 9V 1 Circuit imprimé réf : IU_614 IUT de Nîmes Département GEII page 19

20 Fiche de fabrication Schéma Explication réalisation Liste des opérations pour préparer le circuit imprimé à recevoir les composants. Ordre d'implantation des composants pour soudure. Plan d'implantation Nomenclature R1 100Ω (Marron, Noir, Marron, Or) R2, R3 1kΩ (Marron, Noir, Rouge, Or R4, R5 2,2kΩ (Rouge, Rouge, Rouge, Or) R6, R7 4,7kΩ (Jaune, Violet, Rouge, Or) R8 10kΩ (Marron, Noir, Orange, Or) RV1, RV2 4,7kΩ horizontal K1 Conn 1x06 Barrette sécable male K2 Conn 1x05 Barrette sécable male Divers support DIL 08 C1, C2 100µF/16V Radial C3 100nF Radial CI1 LM358 DIP-08 D1, D5 Del Rouge 5mm D2 Del Verte 5mm D3, D4 1N5819 T1, T2, T3 BC635 TO 92 T4 PN2222 TO 92 Détails de fabrication Liste des opérations pour préparer le circuit imprimé à recevoir les composants. Découpe de la carte aux dimensions exactes du dessin. Perçage en 0,8mm puis en 1mm sur less connecteurs. Ordre d'implantation des composants pour soudure. IUT de Nîmes Département GEII page 20

21 Souder les composants de plus bas profil en premier: straps, résistances, diodes 1N5819, puis connecteurs, support de circuit intégré, résistances variables, condensateurs, pour finir par les semiconducteurs plus fragiles eux, Dels et transistors. IUT de Nîmes Département GEII page 2

22 Fiche de tests Ce document donne des procédures de test pour divers points de la carte avec un tableau des valeurs théoriques calculées lors de l'étude et des cases vides qui doivent être remplies pendant la phase de test. La colonne "Note" permet de valider ou pas le test. Si l'un des tests échoue, il faut trouver le défaut et proposer une réparation de la carte. C'est une phase de maintenance. Avant ces tests, la carte ne doit pas présenter de court-circuits sur K1 et le sens d'implantation des composants aura été vérifié lors de la phase précédente. Tableau de mesures Le tableau suivant permet de relever les mesures obtenues sur les broches du support du circuit intégré en son absence. Point de mesure Nom Valeur théorique Mesure relevée Note CI1 : broche 1 SG 0 / 9 Volts CI1 : broche 2 EG 0 / 9 Volts CI1 : broche 3 RV1 4,5 Volts CI1 : broche 4 Masse 0 Volt CI1 : broche 5 RV1 4,5 Volts CI1 : broche 6 ED 0 / 9 Volts CI1 : broche 7 SD 0 / 9 Volts CI1 : broche 8 Vcc 9 Volts D3, D4 : Cathode +U Mot 4,5 Volts Test fonctionnement Placer le LM358 sur son support. Le tableau suivant résume le fonctionnement du montage suivant les divers modes. Mode Mise en œuvre Observation Note Robot centré Capteurs centrés Robot à droite Capteur gauche Robot à gauche Capteurs droit Maintenance Le dépannage du montage doit commencer dès le premier défaut observé. Une valeur de tension très différente de celle prévue indique un court-circuit (pont de soudure) ou un circuit ouvert (mauvaise soudure). IUT de Nîmes Département GEII page 3

23 Bilan Résultats Le principe est intéressant du point de vue pédagogique, mais limité du point de vue performance. Projection L'évolution logique de ce montage est sa version programmable qui doit être étudiée au 2 nd semestre. IUT de Nîmes Département GEII page 4

24 Conclusions personnelles En termes de ressources humaines, une absence sur une des premières séances (saisie de schéma ou routage) est difficilement rattrapable sans l'aide d'une personne présente ayant bien noté le travail à faire. IUT de Nîmes Département GEII page 5

25 Bibliographie : Eagle 7.6 : Google Doc : Google Drive : Site du tournoi de robotique nîmois Logiciel de dessin de circuits imprimés Logiciel de traitement de texte en ligne Site de stockage de fichiers en ligne IUT de Nîmes Département GEII page 6

26 Annexes Les annexes regroupent les éléments qui sont nécessaires au montage. Mais dont il serait trop long de donner toutes leurs caractéristiques. On complétera cette partie en fonction des besoins. Composants Résistance : Loi d'ohm, code des couleurs, puissance Condensateur : Technologie, marquage, tension Diode : Technologie, Del, puissance Transistor : Amplificateur Opérationnel : LM358 IUT de Nîmes Département GEII page 7

27 Capteur optique : CNY70 Régulateur Plaque d'essai : IUT de Nîmes Département GEII page 8