1 presentation du systeme
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Construction électronique 1ère STI2 : MINI ROBOT SUIVEUR DE LIGNE 1 PRESENTATION DU SYSTEME 1.1 Introduction : fonction d’usage et objectifs La robotique fait partie de ces nouvelles technologies où l’imaginaire demeure plus important que la réalité. Le mini robot que vous allez réaliser a pour fonction de suivre une trajectoire tracée sur le sol. Il ne faut pas pour autant croire que ce robot verra. Les techniques les plus élaborées, à base de caméra permettent seulement de reconnaître des formes simples et des couleurs contrastées, dans un environnement connu à l’avance. Le robot à réaliser est rudimentaire : il n’est pas programmable (pas de microcontrôleur) et doit être bon marché (pas de caméra). Ce n’est pas un robot fonctionnel ( le parcours automatique d’une trajectoire peut cependant faire l’objet de nombreuses applications) mais un robot ludique et surtout éducatif dont l’étude et la réalisation vont permettre d’aborder les connaissances et compétences suivantes : - capteurs infrarouges - génération de signaux (carré et triangulaire) - commande de moteur à courant continu avec variation de vitesse - tracé d’un typon - réalisation, test et mise au point d’une carte électronique. 1.2 Identification des éléments du système Le comportement du robot consiste à suivre une ligne noire sur fond blanc : MINI ROBOT Dossier de présentation -1- Le système se compose de trois éléments : L’ utilisateur qui met au point le robot en effectuant des réglages sur celui-ci et le met en route. Le circuit constitué d’une plate forme blanche sur laquelle une ligne noire est réalisée pour indiquer au robot la trajectoire à suivre. Le robot qui se déplace sur la plate forme en suivant la ligne. Des voyants permettent à l’utilisateur de contrôler le fonctionnement du robot (détection capteurs et commande moteurs). Le robot est constitué de deux parties : La partie mécanique : un châssis plastique (119 x 78 x 45 mm) avec compartiment pour 4 piles 1,5 V et bloc double moteur réducteur 5Vcc et roues à pneus à gomme. La partie commande constituée de 3 cartes électroniques à réaliser et à visser sur le châssis. 1.3 Diagramme sagittal L1 Utilisateur Robot L2 L3 L4 L5 Circuit MINI ROBOT Dossier de présentation -2- Définir les liaisons entre éléments : L1 : L2 : L3 : L4 : L5 : 2 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU ROBOT La détection de ligne s’effectue grâce à deux capteurs infrarouges à réflexion situés à l’avant du robot (gauche et droit). Ces deux capteurs sont espacés entre eux d’une distance un peu supérieure à la largeur de la piste. Chaque capteur est constitué de deux éléments distincts : une diode électroluminescente et un phototransistor infrarouges. La diode émet une lumière infrarouge en direction du sol et le phototransistor reçoit les photons par réflexion sur le sol. Si la distance entre le sol et les éléments, de l’ordre de 5mm, est respectée, le récepteur fournira une information proportionnelle à la quantité de photons qu’il aura reçue. CAPTEUR IR DEL infrarouge Phototransistor Surface Chaque capteur va commander le moteur situé de son côté. Plus la surface en dessous du capteur est claire, plus le phototransistor recevra de photons et plus le moteur associé tournera vite. Observons un robot qui suit une ligne droite noire sur fond blanc. Si le robot avance, c’est que les deux capteurs reçoivent des photons issus des émetteurs. Sachant qu’il n’y a pas de monde parfait, l’un des deux moteurs sera plus rapide que l’autre. Le robot tournant légèrement, l’un des capteurs va s’approcher de la ligne noire et recevra moins de photons. La vitesse de la roue du côté concerné va ralentir. Ce faisant, le robot tournera légèrement dans le sens opposé et restera calé sur la ligne noire. En virage, il se passe la même chose en prenant la précaution d’adapter la vitesse maximale du robot au rayon des virages : si le rayon du virage est petit et que la vitesse est trop élevée, le robot emporté par son inertie, manque de temps pour ajuster sa trajectoire sur la ligne blanche. Comment passer à une ligne blanche sur fond noire ? MINI ROBOT Dossier de présentation -3- 3 ANALYSE FONCTIONNELLE DE L’OBJET TECHNIQUE 3.1 Schéma fonctionnel de niveau I Réglages, M/A Informations visuelles Ligne à suivre Déplacement ROBOT Réaction du terrain 3.2 Schéma fonctionnel de 1er degré Réglages ED Ligne à suivre DETECTION LIGNE VD CORRECTION EG FP1 Réglages Informations visuelles VG MLID VARIATION DE VITESSE MLI FP2 AMPLIFICATION DE PUISSANCE MLIG FP3 FP4 MD VBAT M/A VCC ALIMENTATION CONVERSION ENERGIE ELECTRIQUE EN ENERGIE MECANIQUE FA1 ROTD ROTG TRANSFORMATION ROTATION / DEPLACEMENT FP5 FP6 Réaction du terrain MINI ROBOT Dossier de présentation -4- Déplacement MG FP1 : DETECTION LIGNE Suivant la position du robot par rapport à la ligne, les capteurs infrarouges droit et gauche reçoivent plus ou moins de lumière. Les tensions ED et EG issues de FP1 sont représentatives de la lumière reçue par les capteurs droit et gauche. Les valeurs mini et maxi de ces tensions, correspondant respectivement à une surface noire et une surface blanche, seront déterminées expérimentalement. FP2 : CORRECTION Les tensions ED et EG ne commandent pas directement la vitesse des moteurs. En effet, les capteurs étant plus ou moins bien positionnés et la vitesse maximum devant être réglable, la fonction FP2 permet de corriger les signaux issus des photorécepteurs. Après réglages par potentiomètres, on obtient en sortie deux tensions VD et VG. Sur un fond noir, ces tensions sont minimums et la vitesse des moteurs doit être nulle (arrêt). Sur un fond blanc, ces tensions sont maximums et correspondent à la vitesse maxi des moteurs. FP3 : VARIATION DE VITESSE MLI La variation de vitesse des moteurs se fait par modulation de largeur d’impulsion (MLI). Les tensions de sorties MLID et MLIG sont des signaux carrés d’amplitude 5V, de fréquence 1,7 kHz environ et de rapport cyclique variable en fonction des valeurs respectives de VD et VG. Ainsi VDmin correspond à un rapport cyclique de 0% et VDmax correspond à un rapport cyclique de 100%. MLID Rapport cyclique : 5V = Th / T 0V t Th variable T fixe FP4 : AMPLIFICATION DE PUISSANCE Cette fonction permet d’alimenter les moteurs avec un courant suffisant pour les faire tourner. FP5 : CONVERSION ENERGIE ELECTRIQUE / ENERGIE MECANIQUE Cette fonction est réalisée par les 2 moteurs réducteurs à courant continu. Les sorties ROTD et ROTG correspondent aux rotations des arbres moteurs droit et gauche. FP6 : TRANSFORMATION ROTATION / DEPLACEMENT Cette fonction est réalisée mécaniquement grâce aux deux roues du robot en contact avec le sol. FA1 : ALIMENTATION Lorsque l’interrupteur M/A est enclenché par l’utilisateur, cette fonction fournit une tension VBAT de 6V issue des piles et un tension VCC d’environ 5V. Ces tension permettent d’alimenter respectivement les moteurs et l’électronique de commande. MINI ROBOT Dossier de présentation -5- 3.3 Schéma fonctionnel de 2ème degré de FP1 (Détection ligne) : EMISSION / RECEPTION DE LUMIERE INFRAROUGE A DROITE FS11 ED Ligne à suivre EMISSION / RECEPTION DE LUMIERE INFRAROUGE A GAUCHE FS12 EG 3.4 Schéma fonctionnel de 2ème degré de FP2 (Correction) : Réglage gain Réglage tension GENERATION D’UNE VSEUIL TENSION DE REFERENCE FS21 EG AMPLIFICATION VD DIFFERENTIELLE DROITE FS22 SIGNALISATION VERTE AMPLIFICATION VG DIFFERENTIELLE GAUCHE FS23 SIGNALISATION ROUGE FS24 Informations visuelles capteurs ED FS25 Réglage gain Le réglage du gain des fonctions FS22 et FS23 permet d’adapter l’étendue de la plage de tension des entrées à l’étendue de la plage de tension souhaitée sur les sorties. Le réglage de la tension de référence FS21 permet d’introduire un décalage sur les tensions de sorties. Ces différents réglages permettent d’adapter les tension de sortie VD et VG aux contraintes de la fonction FP3. Chaque signalisation (FS24 et FS25) émet une lumière visible (verte à droite, rouge à gauche) plus ou moins intense suivant l’information en provenance des capteurs. La signalisation est d’autant plus forte que la surface en regard du capteur est réfléchissante. MINI ROBOT Dossier de présentation -6- 3.5 Schéma fonctionnel de 2ème degré de FP3 (Variation de vitesse MLI) Réglages DIVISION DE VD2 TENSION FS32 GENERATION D’UN SIGNAL TRIANGULAIRE COMPARAISON DE TENSION DROITE MLID FS34 SIGNALISATION VERTE VITESSE DROITE FS36 VTRI FS31 VG DIVISION DE VG2 TENSION FS33 COMPARAISON DE TENSION GAUCHE FS35 MLIG SIGNALISATION ROUGE VITESSE GAUCHE Informations visuelles vitesses moteurs VD FS37 Réglages FS31 génère un signal triangulaire VTRI de fréquence environ 1,7 kHz variant de 0,8V à 3,4V. Les fonctions FS32 et FS33 permettent de prélever tout ou partie des tensions d’entrées. Le réglage des potentiomètres permet un ajustement de la vitesse des moteurs. L’intensité de la signalisation (FS36 et FS37) est représentative de la vitesse des moteurs. 4 SCHEMA STRUCTUREL DE L’OBJET TECHNIQUE Le schéma structurel du robot est donné pages 8 et 9. Encadrer sur ce schéma les structures associées aux fonctions principales et secondaires. MINI ROBOT Dossier de présentation -7- MINI ROBOT Dossier de présentation -8- MINI ROBOT Dossier de présentation -9- 5 NOMENCLATURE ITEM REPERE / DESIGNATION QUANTITE DESCRIPTION 1 B1 1 4 piles LR6 1,5V en série 2 C3 1 Condensateur plastique 10nF 3 C7 1 Condensateur plastique 22nF 4 C6 1 Condensateur plastique 47nF 5 C8, C9 2 Condensateur plastique 100nF 6 C4, C5 1 7 C2 1 8 C1 1 9 CIR1, CIR2 2 Capteur infrarouge HOA1405-2 10 D1 1 Diode 1N4148 11 K1 1 Interrupteur à levier 12 LED1, LED3 2 LED rouge 5mm 13 LED2, LED4 2 LED verte 5mm 14 P1, P4, P5 3 Résistance ajustable horizontale 10 k 15 P2, P3 2 Résistance ajustable horizontale 470 k 16 R1, R2, R7, R11, R17, R18 6 Résistance 1/4W 470 17 R5, R6, R9, R10, R16 5 Résistance 1/4W 10k 18 R3 1 Résistance 1/4W 39k 19 R4, R8 2 Résistance 1/4W 47k 20 R13, R14 2 Résistance 1/4W 220k 21 R12, R15 2 Résistance 1/4W 330k 22 U1 1 Circuit Intégré LM358 23 U2 1 Circuit Intégré LM324 24 U3 1 Circuit Intégré ULN2003 MINI ROBOT Dossier de présentation - 10 - Condensateur électrolytique axial 1 µF – 16V Condensateur électrolytique axial 10 µF – 16V Condensateur électrolytique axial 470 µF – 16V
