Conception d un robot autonome dans l espace

Stanislas Bruhière Valentin Sallent Mickael Ribero Hubert Laury Thomas Fresnel Groupe C Conception d un robot autonome dans l espace Projet de semestre 2 M. Guinand et M. Remy Professeur d Etude & Réalisation Mme. Brissard Professeur de Culture et Communication Année 2015-2016

REMERCIEMENTS Nous tenons à remercier nos professeurs d Etude et Réalisation et de Culture et Communication, M.Guinand ainsi que M.Remy et Mme Brissard pour leur soutien et leur aide tout au long de ce projet. Nous remercions M.Ardilier, technicien à l IUT de Cachan sans qui nous n aurions pas de carte électronique permettant le fonctionnement de ce robot Nous remercions Mme. Laurent notre magasinière qui nous a fourni les composants nécessaire aux cartes électroniques ainsi que d avoir passé commande de certains d entre eux, non présent au magasin. Nous remercions également M.Wilmot, responsable du bâtiment G et de son financement. 2

SOMMAIRE Table des matières REMERCIEMENT... 2 Abstract...Erreur! Signet non défini. Introduction... 5 I Présentation du projet... 6 Règles du Gamel Trophy... 6 Schéma synoptique... 8 Stockage/tri des fichiers (DROPBOX)... 10 II Conception et Réalisation... 11 Conception de support... 11 La découpeuse laser... 11 L imprimante 3D... 13 Conception de cartes électroniques... 17 Carte CNY70... 17 Carte infrarouge / CNY70... 19 Carte Alimentation... 20 Carte Mosfet... 20 Carte hacheur... 21 Carte Laser Servomoteur... 22 Carte support... 23 Carte roue codeuse... 24 Test des composants et des cartes... 25 3

Test des capteurs Infra-Rouge Sharp... 26 Test de la carte hacheur... 27 III Programmation... 27 Conclusion... 30 Bibliographie... 31 Table des figures... 32 4

Introduction Lorsque nous avons débuté notre deuxième semestre, nous avons émis le souhait de participer à la Coupe de France de robotique afin de découvrir le monde de la compétition robotique, le gamel trophy. Cette compétition aura lieu à Cachan au sein du gymnase de l ENS de Cachan. Nous avons à notre disposition un petit robot nommé Gamel. Ce robot est vierge, il y a seulement le câblage d alimentation, le capteur de fin de course, la prise jack ainsi que les deux moteurs. Le but du projet proposé est de créer son autonomisation en lui ajoutant des cartes qui vont être grossièrement ses yeux, son cerveau et ses jambes. Les règles pour suivre ce parcours sont identiques à tous. Nous possédons une Gamel et nous créons les cartes pour l autonomiser, le but étant d arrivé le plus vite possible à la fin du parcours. Figure 1: La Gamel 5

I Présentation du projet Règles du Gamel Trophy Le concours du Gamel Trophy va s effectuer dans des conditions bien précises, nous serons en présence d une Gamel aménagée par nos soins sur une piste de 8m sur 8m banalisée par une moquette bleue. Il y aura des obstacles de 15 cm de haut à éviter. Figure 2: Piste du Gamel Trophy L objectif principal est de traverser la piste le plus rapidement possible d un coin à son opposé. Notre robot doit effectuer son trajet en 90 secondes maximums, sinon le robot est disqualifié. Chaque robot aura une couleur de référence déterminée par son angle opposé et par la couleur du ballon de la Gamel. Le ballon en question devra être éclaté par le robot à la fin de la course. La zone dite d arrivée peut être repérée facilement dans son angle car le sol change de couleur. Le robot devra donc s arrêter et éclater le ballon dans cette zone en moins 6

de quatre-vingt dix secondes pour être qualifié. Les robots devront être passifs s ils croisent un autre robot. Si une collision est volontaire, la Gamel sera disqualifiée. Notre robot a des dimensions maximales comme tous les autres (Figure 2), soit 30cm de longueur et de largeur, la hauteur est limitée à 40 cm du sol. La piste est équipée d une balise surélevée de 20 cm, la balise peut être un cube de 20 cm maximum. Le robot sera alimenté par une batterie de tension 12V fournie par l IUT. Figure 3: Dimensionnement du robot 7

Schéma synoptique Avant de choisir les composants et de commencer la conception du robot, nous avons longuement réfléchi à diverses solutions pour réaliser les actions de la compétition. Nous avons tout d abord créé un schéma fonctionnel, nous permettant de mieux visualiser la réalisation de chaque action. Figure 4 : schéma fonctionnel Nous avons ensuite fait un schéma synoptique, nous permettant de voir chacun des composants nécessaires, ainsi que les liaisons entre ces composants (signal, alimentation). Les flèches vertes indiquent un échange de signal, les rouges une alimentation. D après le règlement, le système sera alimenté par une batterie 12V. 8

Figure 5 : Schéma synoptique Pour le déplacement, nous allons utiliser une carte puissance similaire à celle utilisée au S1 pour le gamel trophy mais présentant un hacheur 4 quadrants nous permettant de faire fonctionner les deux moteurs en marche arrière. Ces deux moteurs seront équipés d un capteur de rotation relié au microcontrôleur, cela permet alors au programme de localiser le robot dans l'arène. Le microcontrôleur ne sera pas directement alimenté par la batterie mais par l intermédiaire d un régulateur de tension, permettant l alimentation en 5 V. Une interface homme-machine composée de boutons, LEDs, potentiomètres et écran permettra de modifier des réglages du programme directement sur le robot. Nous choisirons un microcontrôleur présentant le bon nombre de sorties numériques et PWM, mais surtout assez d entrées, car le robot possède un grand nombre de capteurs. 9

Tout d abord, le robot ne doit démarrer que lorsque la prise jack est débranchée. Pendant le fonctionnement du robot, pour éviter obstacles et adversaires, des capteurs infrarouges, placés tout autour du robot permettent de connaître la distance séparant le robot et un obstacle. Le capteur laser permet au robot de localiser la zone d arrivée, grâce à la balise placée avant la course : une large surface réfléchissante placée au-dessus de la zone d arrivée réfléchit le laser. Le robot peut donc savoir lorsqu il se dirige dans la bonne direction. Celui-ci sera placé sur un servomoteur permettant d augmenter la zone couverte par le capteur. Le capteur de couleurs, utilisé également au S1, permet de détecter les zones de départ et d arrivée qui sont de couleur blanche au sol. Enfin, pour éclater les ballons, nous utiliserons une résistance de valeur basse qui, lorsqu elle est alimentée en 12 V va chauffer et percer le ballon. Stockage/tri des fichiers (DROPBOX) Pour le stockage de fichiers, nous avons choisi d utiliser le service de transfert de fichiers Dropbox pour centraliser les fichiers. Nous avons, dès le début du projet, créé des dossiers pour trier les fichiers. Nous avons également gardé chaque version de chacun des fichiers en cas de problème. Figure 6 : Capture d écran du dossier de rangement. 10

II Conception et Réalisation Conception de support La découpeuse laser Avant de réaliser toutes nos cartes, nous avons échangé autour du projet tous ensemble, afin d établir une répartition des tâches. Nous avons aussi prévu l'emplacement de chaque composant avant de les créer pour que chaque élément confectionné ait sa place et ait une cohérence avec la Gamel. Pour cela, nous avons la chance d avoir un IUT riche en ressources où il y a des étudiants de génie électrique et informatique industrielle mais aussi de Génie Mécanique Productique. Nous avons pu emprunter une découpeuse laser appartenant au GMP (Figures 6 et 7). Figure 7 : Photo de la découpeuse laser 11

Figure 8 : Photo du plateau de découpe Nous avons donc réalisé deux plaques perforées (Figure 8) que nous avons fixées audessous de la Gamel, ce qui nous sert de support pour fixer des capteurs ou des cartes électroniques au-dessous de notre robot. Cela nous permet ainsi un gain de place et de n'avoir aucun fil pouvant gêner la rotation des moteurs/roues. Nous avons au début réalisé des plans du dessous de la Gamel pour avoir les mesures exactes. Nous avons fait sur-mesure les pièces nécessaires. Nous avons ensuite créé ces supports sur le logiciel Altium Designer et enregistrer ces fichiers dans le format prévu et demander par la découpeuse laser (Figure 9). Figure 9: PCB du support avant 12

Figure 10 : PCB du support arrière L imprimante 3D Au sein de l IUT de Cachan, nous possédons une imprimante 3D, ce qui nous est très utile pour concevoir des petites pièces de prototypage sur-mesure. Nous nous en sommes servis pour plusieurs pièces sur la Gamel. Nous avons créé toutes ces pièces avec le logiciel Solidworks. Toutes nos pièces sont réalisées par l imprimante 3D comme le support de la résistance Support tube ballon 13

Le ballon desservi au début de la course doit être positionné sur un tube dont le haut doit atteindre 30 ou 31 cm de hauteur. Le ballon fixé au-dessus doit éclater à la fin de la course. Le support est fixé à l arrière de notre Gamel et permet le maintien d un tube en PVC qui rentre dans le support. Figure 11 : Représentation du support tube ballon Support résistance ballon 14

Cette pièce nous a permis de relier la tension de 12V à une résistance qui doit surchauffer et percer le ballon en peu de temps pour l éclater. Il faut cependant que la résistance soit à l'extrémité basse du ballon pour que la situation se déroule parfaitement. Si la résistance est collée au ballon, le plastique fond et le ballon n'éclate pas mais se dégonfle, c'est pour cela qu'il faut laisser un petit écart pour que la résistance ait le temps de prendre feu. Figure 12 : Représentation du support résistance ballon Support Servomoteur 15

Afin de surélever le laser ainsi que le servomoteur, nous avons créé un support où nous avons conçu chaque pièce afin de pouvoir les assembler une fois celles-ci imprimées une à une via l imprimante 3D mise à notre disposition. Figure 14 : Représentation du socle de la pièce ci-dessous et du socle du servomoteur ci-dessus. Figure 13 : Pied de la pièce La hauteur totale de la pièce est de 15cm alors que les obstacles font au maximum 15cm de haut et la hauteur de notre balise est de 20cm. La figure 13 représente le socle de notre pièce. Elle servira à tenir les pieds (figure 12) qui eux même serviront à maintenir le servomoteur à sa hauteur. La figure 14 nous montre le résultat final une fois tout assemblé. Figure 15 : Assemblage du support servomoteur. 16

Conception de cartes électroniques Afin de répondre au cahier des charges, nous avons créé des cartes électroniques à l aide d Altium designer. Nous avons ensuite généré les fichiers Gerber de chacune des cartes afin de les faire imprimer par les techniciens à l aide d une plaque de cuivre et d une graveuse qui va donc enlever de la matière afin de créer les pistes. Afin de créer ces cartes, nous devons tout d abord faire le schéma électronique Une fois le schéma reproduit sur le logiciel, nous devons donc passer à l étape de la réalisation : placement des composants, dimension de la carte et positionnement des orifices pour pouvoir fixer la carte. Nous devons ensuite «router» la carte, c est-à-dire créer les pistes. Voici les différentes cartes que nous avons conçues : Carte CNY70 Principe de fonctionnement Figure 16 : Capteur CNY70 Le capteur utilisé dans cette Gamel est un capteur optique CNY70 : sur le blanc,il recevra un niveau haut (5V) et sur le bleu, un niveau bas (0V). Cela s explique dans le fonctionnement du capteur. 17

Figure 17 : Schéma de fonctionnement du capteur optique CNY70 Grâce au schéma, on peut voir le fonctionnement de ce capteur CNY70. Nous avons un émetteur aussi appelé diode qui émet une lumière. Cette lumière est renvoyée au détecteur qui fournira une tension. Vous comprenez bien que si cette lumière se trouve sur le bleu de la piste de la Gamel, le détecteur ne reçoit aucune lumière. Ce qui nous permet d avoir des sorties comparables à des sorties logiques 0 ou 1. Cela nous permettra de savoir où se trouve le robot. Réalisation de la carte CNY70 Nous avons donc confectionné deux petites cartes, placées à l avant et à l arrière afin de savoir quand nous sommes arrivés à destination. Figure 18 : Schéma de la carte CNY70. Ci-contre, son PCB 18

Carte infrarouge / CNY70 Pour la lecture des signaux des capteurs infrarouges et CNY70, nous avons créé une carte qui alimente l ensemble des capteurs et qui récupère leurs signaux pour ensuite les transmettre au microcontrôleur à travers une nappe. Le schéma et le PCB sont visibles cidessous. Figure 19 : Schéma de carte infrarouge ainsi que son PCB 19

Carte Alimentation Comme nous l avons vu précédemment, nous avons plusieurs composants qui sont alimentés en 12V. Pour cela, nous avons conçu une carte nous permettant de multiplier cette alimentation. Nous les avons mis en parallèle afin de ne pas avoir une baisse de tension lors de l utilisation de ces sorties. Figure 20 : Schéma de la carte d alimentation et son PCB Carte Mosfet Afin d éclater le ballon en fin de parcours, nous avons choisi d utiliser une résistance de faible valeur pour que celle-ci s enflamme et provoque l explosion du ballon. Nous avons alors créé une carte permettant à l aide d un Mosfet IRL510 de fournir une tension de 12V ainsi que la possibilité de choisir quand provoquer l explosion de ce ballon à l aide du Mosfet. Figure 21: Schéma de la carte Mosfet et son PCB 20

Carte hacheur Pour que le robot participe à la coupe de robotique, il doit pouvoir avancer, reculer et tourner. Pour cela, il est bien évidement équipé de roues. Mais ses roues ne se contrôlent pas seulement par le programme car ce n est pas suffisant. Il faut un pré-actionneur qui est la carte hacheur. Elle va permettre de hacher la tension délivrée par la batterie. Elle va permettre de régler le rapport cyclique donc la vitesse et de ce fait, la rotation. Le hacheur reçoit les informations du microcontrôleur. Un signal de courant faible pour hacher une tension en courant fort. Pour cela, nous avons utilisé des hacheurs quatre quadrants ce qui nous permet d utiliser les fonctions de rotation des moteurs dans les deux sens. Nous utilisons un hacheur par moteur pour contrôler le rapport cyclique de chaque roue et donc la rotation du robot. Nous avons utilisé, ici, le hacheur LMD18200 pour confectionner cette carte. Pour confectionner cette carte hacheur, nous nous sommes renseignés auprès de notre professeur et avons mené des recherches sur Internet pour connaître le fonctionnement d un hacheur quatre quadrants, ainsi que celui des composants utiles au bon fonctionnement de cette carte. Nous avons réalisé de nombreux brouillons avant de passer au schéma sur le logiciel Altium Designer (Voir Figure 21). Figure 22: Schéma du hacheur 4 qudrants 21

La carte que nous avons réalisée étant complexe et nécessitant de nombreuses pistes électroniques pour acheminer signaux et tension, nous avons procédé à sa réalisation en double couche dès le début. Figure 23: PCB de la carte hacheur. Carte Laser Servomoteur Notre robot doit se déplacer dans l'espace. Il possède des capteurs dont un laser qui va lui permettre de se diriger à partir du milieu de terrain. Nous avons le droit à une base où le robot doit finir sa course. Nous équiperons cette base de catadioptres, ils renverront les faisceaux du laser. Le laser sera fixé sur un servomoteur, ce qui permet de lui faire faire des rotations à 360. Le laser va nous permettre de savoir où est notre base et d aider le robot à se guider comme le fil d'ariane pour atteindre notre arrivée. Nous avons donc conçu une carte qui permet l alimentation du laser en 12V et celle du servomoteur en 5V.Nous récupérerons les signaux pour les retransmettre au microcontrôleur qui analysera les données fournies. Figure 24: Schéma de la carte laser-servomoteur 22

Carte support Pour simplifier les branchements entre le microcontrôleur et les cartes filles du robot, nous avons décidé de créer une carte support pour le microcontrôleur, où l on peut directement brancher les capteurs et actionneurs. En plus de cela, la carte sert d interface homme-machine car elle présente un affichage, des LEDs, des boutons et un potentiomètre. Nous avons donc commencé par nous renseigner sur les entrées et sorties du microcontrôleur pour savoir quels ports de celui-ci seront utilisés. Une fois cela fait, nous avons créé le schéma électrique de la carte sous Altium Designer, pour ensuite faire le PCB à l aide du même logiciel. Figure 25: Schéma de la carte support La carte présente donc quatre sorties cinq Volts pour l alimentation des autres cartes, des branchements pour les cartes laser, ballon, jack, moteurs et port série. Elle est alimentée directement en 12V (tension de la batterie), un convertisseur de tension fournit les 5V nécessaires au microcontrôleur et aux cartes filles. 23

Figure 26: PCB de la carte support Après l impression de la carte, il nous a fallu souder les composants, puis insérer le microcontrôleur dans l emplacement ainsi créé. Les composants et cartes externes peuvent maintenant être branchés et débranchés facilement, ce qui est très pratique pour les tests ou en cas de problème. Carte roue codeuse Les cartes roues codeuses nous seront très utiles pour savoir où doit aller le robot. Ainsi, ces cartes lisent la rotation des moteurs sur plus de quatre mille positions différentes pour pouvoir estimer la position du robot dans l arène. Par exemple, si la carte roue codeuse gauche a détecté plus de rotations que la droite, cela veut dire que le robot a tourné à droite et que pour s approcher de l arrivée, il vaut mieux tourner à gauche. Néanmoins, cette carte a ses limites car si une roue patine sur la moquette, cela peut induire en erreur le programme et indiquer une fausse direction. Notre robot sera équipé d un laser qui cherchera la balise d arrivée pour indiquer une direction. 24

Ces cartes nous ont été données, nous n avons donc pas eu à les concevoir. Figure 27: Schéma de la carte des roues codeuses et son PCB Test des composants et des cartes Toutes nos cartes et composants ont été testés après les avoir réalisés et soudés. Nous avons dû créer certaines pièces inutiles au fonctionnement de la gamel mais qui nous ont été utiles afin de connaitre le rendement maximal de certains composants. Nous avons aussi rencontré des dysfonctionnements dans la réalisation de nos cartes qui ont été décelés lors des tests. C est pourquoi, cette phase est très importante dans notre projet. 25

Test des capteurs Infra-Rouge Sharp Pour effectuer les tests de nos capteurs Infra-Rouge Sharp, nous avons créé un banc de test sous modélisation 3D, pour ensuite fixer les capteurs dessus. Figure 28: Représentation du banc de test des capteurs Infrarouge. Ceci nous a permis d effectuer nos tests efficacement car on avait l opportunité d effectuer deux tests en même temps. On peut se rendre compte qu il faut que l émetteur soit en haut. Les tests que nous avons effectués comparent le signal reçu par le récepteur à une certaine distance de l obstacle. La courbe bleue est notre tracé avec les points les mieux répartis. De ce fait, nous avons choisi de mettre l émetteur en haut sur notre Gamel. 26

Figure 29: Graphique représentant les différentes positions du capteur en fonction de la distance et de la tension renvoyée Test de la carte hacheur Afin de procéder au test des moteurs et de la carte de puissance, nous avons utilisé un banc de test fourni par les professeurs. Ainsi, après avoir étudié la carte, nous avons relié les moteurs par l'intermédiaire du banc de test sur les bons pins de la carte. Ensuite, nous avons alimenté la carte avec un générateur en mode signal carré de rapport cyclique de 0,5. Nous avons donc pu constater que la carte fonctionne bien et que les moteurs peuvent tourner dans les deux sens en fonction des pins que l on connecte. III Programmation 27

Le microcontrôleur Mbed que nous avons choisi se programme en C++, langage que nous n avons pas étudié lors de notre parcours au sein de l IUT. Pour pouvoir débuter la programmation, nous avons dû, dans un premier temps, lire quelques cours de langage C++ sur internet pour assimiler au mieux ce langage différent du langage C. Nous avons donc listé toutes les sous-fonctions que devra réaliser notre robot une fois dans l arène. Les sous-fonctions sont les suivantes : les déplacements, les esquives, l arrivée où le robot éclate le ballon, les roues codeuses et la prise en charge du servomoteur. Nous envisageons par la suite de faire un asservissement géré par un programme principal qui utilisera l ensemble des sous-fonctions telles que celles ci-dessous. La figure 29 montre toutes les variables que nous allons utiliser dans notre programme principal. Figure 30: Définition des variables en C++ 28

Le programme qui suit nous servira en fin de course, lorsque la gamel sera sur son emplacement d arrivée pour éclater le ballon. C est une partie importante car si le robot n explose pas le ballon, nous serons disqualifiés. Figure 31: Programme permettant l'explosion du ballon 29

Conclusion Malgré une quantité importante de travail dans un temps restreint, la conception du robot autonome dans l espace est un projet enrichissant permettant la découverte du matériel mis à disposition au sein de l IUT de Cachan Ce projet nous a également permis d acquérir une expérience dans la conception d un robot en partant de rien. Nous avons passé beaucoup de temps à réfléchir à la conception de celui-ci afin que tout fonctionne correctement. Ce projet nous a aussi permis de mieux comprendre l importance de la gestion de projet et la cohésion nécessaire à la conception et à la réussite de tout projet. 30

Bibliographie Règlement du concours : http://www.gesi.asso.fr/coupe_robotique_des_iut/images/2015/reglement_vierzon_2015_ V001.pdf Site de commande de composants électronique : http://fr.farnell.com/ 31

Table des figures Figure 1: La Gamel... 5 Figure 2: Piste du Gamel Trophy... 6 Figure 3: Dimensionnement du robot... 7 Figure 4 : schéma fonctionnel... 8 Figure 5 : Schéma synoptique... 9 Figure 6 : Capture d écran du dossier de rangement.... 10 Figure 7 : Photo de la découpeuse laser... 11 Figure 8 : Photo du plateau de découpe... 12 Figure 9: PCB du support avant... 12 Figure 10 : PCB du support arrière... 13 Figure 11 : Représentation du support tube ballon... 14 Figure 12 : Représentation du support résistance ballon... 15 Figure 13 : Pied de la pièce... 16 Figure 14 : Représentaion du socle de la pièce ci-dessous et du socle du servomoteur ci-dessus.... 16 Figure 15 : Assemblage du support servomoteur.... 16 Figure 16 : Capteur CNY70... 17 Figure 17 : Schéma de fonctionnement du capteur optique CNY70... 18 Figure 18 : Schéma de la carte CNY70. Ci-contre, son PCB... 18 Figure 19 : Schéma de carte infrarouge ainsi que son PCB... 19 Figure 20 : Schéma de la carte d alimentation et son PCB... 20 Figure 21: Schéma de la carte Mosfet et son PCB... 20 Figure 22: Schéma du hacheur 4 qudrants... 21 Figure 23: PCB de la carte hacheur.... 22 Figure 24: Schéma de la carte laser-servomoteur... 22 Figure 25: Schéma de la carte support... 23 Figure 26: PCB de la carte support... 24 Figure 27: Schéma de la carte des roues codeuses et son PCB... 25 Figure 28: Représentation du banc de test des capteurs Infrarouge.... 26 Figure 29: Graphique représentant les différentes positions du capteur en fonction de la distance et de la tension renvoyée... 27 Figure 30: Définition des variables en C++... 28 Figure 31: Programme permettant l'explosion du ballon... 29 32