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Préface Aujourd hui de plus en plus de foyers sont équipés d aspiration centralisée. Destinées au neuf et à la rénovation elles procurent une valeur ajoutée aux logements, une qualité d air dans toutes les pièces, un confort acoustique, visuel et olfactif. Une aspiration centralisée se compose d un réseau de conduits d air qui traverse la maison et relie les prises murales à la centrale placée au sous-sol ou au garage. Ainsi toutes les poussières et saletés sont aspirées par la centrale et piégées dans un sac filtrant. Il y a cependant une limite à ce système, il peut arriver que le réseau se bouche ; Certes des solutions simples comme inverser le flux d air suffisent le plus souvent à résoudre le problème, mais le risque subsiste toujours. En dernier recours, il faudra abattre une cloison, démonter un sol pour venir sectionner le conduit bloqué puis le remplacer. Une intervention lourde, longue et coûteuse. C est là l enjeu de notre projet, proposer un robot capable d opérer dans ces conduits, repérer puis détruire le bouchon. 2
Table des matières Préface 2 Cahier des charges 4 Croquis 4 Blocage en intensité 5 Constante de couple 6 Composants 7 Assemblage 8 Calibration 9 Contrôle 10 À l avenir 11
Cahier des charges Le cahier des charges à été établi en premier lieu et rapidement reformulé sous forme de diagramme des exigences, premier contact pour moi avec le SysMl. Disponible en annexe 1 Les principales exigences sont : Fonctionner à l électricité Déplacements verticaux Franchir des coudes ( à 90, d amplitudes différentes ) Voir et communiquer Déboucher En ma qualité d élève en SIN, je suis intervenu sur chacun de ces points. Croquis Il était nécessaire que nous validions au plus vite, les solutions techniques et l architecture de base du projet, dans l optique de répondre aux exigences (exprimées sous forme de diagramme). À cette occasion, j ai réalisé quelques croquis qui ont servi de base au schéma cinématique. En voici quelques un : 4
Blocage en intensité Pour maîtriser la course des éléments vis-écrou, il nous est nécessaire d établir un système régulé. Une lecture d intensité à l aide d une résistance shunt s avère être la meilleure option. Facile à mettre en œuvre, elle évite le recours à des capteurs de fin de course encombrants ; Ceci en fait une solution bon marché. Pour maîtriser cette solution, j ai réalisé des montages expérimentaux visant jusqu à reproduire, du point de vue motorisation, une séquence de déplacement du robot. Basé sur un micro-contrôleur 16F877A et un double pont en H, L293. Le montage ci-dessus a mis en exergue quelques nécessités comme celle de filtrer le signal à l aide de filtre passe bas. Quelques séances plus tard et deux µc grillés, la solution était validée. J étais apte à choisir les composants et à développer l architecture adéquate. 5
Constante de couple La constante de couple ne nous était pas donnée dans la documentation des moteurs; par l expérimentation il m a été possible de l estimer. K= 0,087 Nm.A -1 Ci-contre : la courbe d intensité en fonction du couple moteur. Intensité [A] Couple [N.m] La mesure de couple et d intensité consommée s est faite à l aide d un enrouleur au bout duquel des poids étaient suspendus. 6
Composants Micro-controleur Format SOIC Micro caméra Critères : 9 entrées / sorties analogique (deux sorties et une entrée par moteur) Rx/Tx ( rs232 ) Soit un 18 broches avec l interface de programmation, au format SOIC Prix : 3,37 Prix : 33,10 3 ponts en H 3 leds standard Format SOIC Prix : 3 x 3,01 Prix : 3 x 0,40 Régulateur de tension 3 Moto-réducteurs Prix : 0,48 Prix : 3 x 15,70 Total = Le prix des composants reste relativement faible, en particulier pour un prototype 94,44 ** ** Prix composants uniquement À ce montant doit s ajouter environ 25 de frais supplémentaire pour la sous-traitance des circuits imprimés 7
Assemblage Les cartes électroniques ont étés développées sur Proteus. Ce sont quatre parties distinctes, trois réparties autour du module central (en rouge ; page 2) et une à l avant dans la tête. Cette dernière distribue l énergie aux 3 Leds et à la caméra. Plaque de tête Ponts en H µc 18F88 Interface de programmation Pickit 2 Régulateur de tension Résistances 100kΩ Shunter Après montage et câblage, une erreur s est révélée : le filtre passe-bas à été placé en série. Pour rectifier cette erreur il a fallu shunter les résistances de 100kΩ posant problème, puis intégrer un filtre numérique dans le programme Voir annexe 2 8
Calibration Une fois le robot assemblé, j ai calibré chaque moteur. J ai utilisé la valeur du couple à appliquer aux systèmes vis-écrou fournie par Quentin valeur de couple au niveau de la vis pour patins en limite d adhérence. À l aide de la constante de couple déterminée précédemment, du quantum, remontant la chaine d acquisition, j ai estimé la consigne de sortie de boucle dans le programme.. Voir annexe 3 Blocage adapté, adhérence et pièces préservées Connexion filaire Alimentation 7v Rx/Tx Gaine blindée Camera Consigne de couple Différences entre la théorie et la pratique, cette valeur a été revue à la baisse. 9
Contrôle & programmes Je ne pouvais pas me contenter de programmer une séquence simple de déplacement, je voulais que le robot puisse changer son sens de progression dans les plus brefs délais et ce, quelque soit l état de chaque modules (ouvert ou fermé). Son défaut le plus irritant est sa lenteur. À mes yeux, l optimisation était nécessaire et se traduit par des variables indiquant l état des modules. Ensuite, un ensemble de conditions définissent le chemin vers l action à effectuer. Voir annexe 4 Les séquences sont déclenchées par une télécommande qui envoie communique avec le protocole RS232. Avec seulement 4 boutons disponibles, j ai programmé un menu pour atteindre des commandes plus précises tel que le contrôle indépendant de chaque moteur, pratique pendant la phase d expérimentation. Voir annexe 5 1 3 2 4 Le robot est piloté à distance par une liaison filaire, en dépend l alimentation électrique, la communication Rs232 Pour le moment le robot ne dispose pas encore de son boitier de commande dédié il est piloté à l aide d une carte de prototypage et d une alimentation de laboratoire Schéma Carte prototypage 1 Mode automatique / Menu 2 Marche avant / Suivant 3 Marche arrière / Précédent 4 Arrêt / sélectionner 10
À l avenir Le robot est fonctionnel, le projet, élevé jusqu au podium des olympiades de sciences de l ingénieur a probablement séduit par son originalité et l utilité de sa fonction première : déboucher les conduits d aspiration centralisée. Cependant je suis convaincu que le projet mérite de poursuivre son développement, il reste beaucoup à faire pour atteindre l excellence. Ses principales faiblesses sont sa fragilité et sa lenteur : régler le premier point nous offrirait de nouvelles possibilités pour améliorer le second point. Avec une résistance des matériaux renforcée nous pourrions utiliser des moteurs plus puissants et augmenter le pas des vis, gagnant en vitesse de rotation et réduisant le nombre de tours nécessaires en course. Remplacer le module central par un ressort En embarquant un accéléromètre nous pourrions permettre au robot de se laisser tomber dans certains tronçons verticaux, lorsque cela va dans le sens de sa progression. Intégrer un outil motorisé dans la tête pour un débouchage plus effectif. Un système de direction par électroaimants orienterait les modules. Des capteurs infrarouges permettraient au robot de se situer sur une carte numérique du réseau de conduits exploré, dans l optique d aller jusqu à le rendre totalement autonome... Les solutions sont multiples d autant que le système est évolutif, sa conception en module et les solutions mises en œuvre le rend adaptable à tout diamètre de canalisations circulaires, il y trouvera sa réelle utilité pour peu qu il y ait des déplacements à la verticale. Évacuation d eau, gouttières, jusqu à l inspection de conduits de centrales nucléaires 11
Annexe 1 12
Annexe 2 Version actuelle du prototype. Deux! Version corrigée 13
Annexe 3 Modélisation du Canalombric 0/1 I(A) C(N.m) F(N) Adapter l action mécanique Convertir Welec Wméca Canalisation (vis-écrou parallélogramme déformable) (moteur cc + réduct) Commander l énergie (pont en H) Calcul (µc) C = K.I # = U = R.I Rshunt = 4,7Ω C.A.N (µc) # = U / quantum U = f(i) 14
Annexe 4 15
Annexe 5 16