Rapport Coupe Robotique de Cachan

Rapport Coupe Robotique
de Cachan
Encadrant : Monsieur Juton
Dafne Cacres Alvarez, Marc Gabirel, Fabien Hauzeray,
Matthieu Lachenait, Camille Lavigne GEII E
Juin 2016
Rapport Coupe Robotique Cachan | Juin 2016
Remerciements,
A tout le corps enseignant pour leur disponibilité et pour leur aide. Nos
remerciements vont plus particulièrement à Monsieur Juton qui nous a
guidés et accompagnés tout au long de ce projet ainsi qu’à Marc Ardillier
pour l’impression des cartes.
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Rapport Coupe Robotique Cachan | Juin 2016
Sommaire
Introduction............................................................................................................................................. 5
1.
2.
3.
La compétition ................................................................................................................................ 5
1.1.
Les objectifs............................................................................................................................. 5
1.2.
Les impératifs et le fonctionnement ...................................................................................... 6
Choix des composants .................................................................................................................... 8
2.1.
Automate OMRON CPU11 CJ12M .......................................................................................... 8
2.2.
Le hacheur 4Q VNH5019A-E ................................................................................................... 8
2.3.
Le télémètre Sharp DT35 ........................................................................................................ 8
2.4.
Le détecteur OMRON E3Z-LR61.............................................................................................. 9
2.5.
Le capteur optique CNY70 ...................................................................................................... 9
2.6.
La résistance 1Ω ...................................................................................................................... 9
2.7.
Les roues codeuses Avago HEDS-5500 ................................................................................... 9
Les cartes ......................................................................................................................................... 9
3.1.
La carte puissance ................................................................................................................. 10
Q1et Q2 : transistors gérant l’alimentation des composants VNH5019A-E par le module de
contrôle(PLC) ..................................................................................................................................... 10
U5 : porte logique gérant l’ouverture et la fermeture des transistors des hacheurs ........................ 10
U3 : régulateur de tension (transforme du 12V de la batterie en 5V) ............................................... 10
P12 : connecteur permettant de communiqué avec l’automate ....................................................... 10
La « carte moteur » assure la régulation des moteurs (vitesse et sens de rotation). Cette
carte est composée de deux composants VNH5019A-E : un pour chaque moteur. Selon la
datasheet, le montage de ce composant requiert des connexions à différentes résistances
et condensateurs (figure ….). Sur la carte, d’autres condensateurs sont implantés pour
éviter les interférences électriques entre les composants. ...................................................... 10
3.2.
La carte ballon ....................................................................................................................... 10
La « carte ballon » est composée d’un transistor MOSFET FDD 5612 qui se ferme lorsque
le robot arrive sur la zone blanche. Une tension de 12V parcourt alors la résistance de 1 Ω
collée sous le ballon (soit à 32cm du sol). L’échauffement produit engendre l’éclatement
du ballon........................................................................................................................................... 11
3.3.
La carte CNY70 ...................................................................................................................... 11
3.4.
La carte interface automate ................................................................................................. 11
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conRS1 : connecteur définissant le sens de communication avec le servomoteur soit en écriture, soit
en lecture .......................................................................................................................................... 11
U2 : composant la conversion des données entre le servomoteur et d’automate ............................ 11
U1 : ensemble de 4 AOP amplifiant le signal reçus depuis les roues codeuses pour pouvoir être
traiter par l’automate........................................................................................................................ 11
RBT : régulateur de tension de 12V à 5V ........................................................................................... 11
R1 à R3 : résistances de valeur respective 10kΩ, 2,7kΩ et 470Ω ...................................................... 12
C1 à C7 : condensateurs de 100nF ..................................................................................................... 12
4.
4.1.
La programmation ........................................................................................................................ 12
Détermination du parcours ...................................................................................................... 12
Le parcours est divisé en plusieurs cibles intermédiaires (Xtarget et Ytarget) en vue d’atteindre le
point final. ............................................................................................................................................. 12
Le traitement consiste à calculer la position de la gamelle par rapport au point de départ (Xposition
et Yposition), puis sa distance par rapport à son point cible intermédiaire (distance-target et angletarget) en vue de calculer les informations à transmettre aux hacheurs 4-quadrants commandant la
rotation des roues. ................................................................................................................................ 12
La position par rapport au point de départ est calculé à partir des informations transmises par les
deux roues codeuses. ............................................................................................................................ 12
La position par rapport au point cible est déterminé en appliquant le théorème de Pythagore , puis
approximant la valeur de l’angle à la valeur de la tangente , approximation permise dans le cadre
d’angle de faible valeur. ........................................................................................................................ 12
4.2.
Esquive des obstacles ............................................................................................................... 12
L’acquisition des informations à partir du télémètre (variable telemetre_m) permet de situer la
gamelle par rapport à un obstacle. Si un obstacle se situe à moins de 1 mètre, le servomoteur opère
une rotation pas à pas du télémètre. Si angle par rapport à la cible est inférieur à 45 ° le servomoteur
tourne le télémètre de préférence vers la gauche, sinon il le tourne par la droite en vue de minimiser
le parcours libre d’obstacle sur les 1 mètre suivant. Ensuite une consigne est transmise au 4Q en vue
de commander les rotations des roues de la gamelle. ......................................................................... 12
4.3.
Stratégie .................................................................................................................................... 12
En début de parcours, l’environnement est scanné en vue d’atteindre le centre de symétrie, une fois
arriver sur ce point nous prenons comme nouvelle destination le point d’arrivé. Cette stratégie
permet de minimiser le temps de parcours, toutefois elle n’est fonctionnelle que pour des parcours
simples................................................................................................................................................... 12
Lorsque la gamelle rencontre un obstacle, une nouvelle cible intermédiaire à 15 cm de l’obstacle est
alors définie ........................................................................................................................................... 12
Conclusion ............................................................................................................................................. 13
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Introduction
Ce projet consiste en la création d’un robot autonome en vue de participer à la Coupe
Robotique de Cachan qui se tiendra lors du Festival de Robotique du 9 au 11 juin 2016.
S’affronte durant trois jours, des étudiants de 1er année et 2ième année venant de différents
IUT GEII français. Le robot doit atteindre le
coin posé de son lieu de départ, faire exploser
son ballon et éviter les obstacles placés sur
son chemin. Au fur et à mesure des épreuves,
la difficulté du parcours est croissante.
Pour réaliser ce projet, nous constituons un
groupe de 5 personnes en mettant à profit les Figure 1. Affiche du festival de Robotique de Cachan
compétences
et
expériences
réussies,
notamment dans le cadre de la compétition du robot suiveur de ligne qui s’est déroulé lors du
1er semestre : Marc et Dafne pour leur motivation et leur ingéniosité, Matthieu pour ses
qualités de programmation, Camille et Fabien puisque leur robot était en final.
Après analyse du cahier des charges imposé par le règlement de la Coupe Robotique, nous
avons émis plusieurs des solutions techniques pour réaliser ce défi, chacune soumise à
l’avis du groupe, puis du corps enseignant. Pour celles retenues, nous les avons assemblées
et dispatchées sur quatre cartes électroniques dont nous avons conçu le schéma de
câblage, d’implantation et le routage en utilisant le logiciel Altium Designer. La dernière
étape a été réservée à la programmation de l’automate avec le logiciel CX-one Programmer.
1. La compétition
1.1.
Les objectifs
Le robot évolue sur une piste carrée de 8m entièrement recouverte de moquette bleu foncée.
Chaque coin de piste abrite une zone blanche, mesurant au minimum 70 cm de rayon, pour
indiquer la zone d’arrivée.
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La piste est jonchée d’obstacles, de couleur uniforme, de hauteur comprise entre 14 et 16
cm que le robot doit contourner. Seule la phase d’homologation est exempte d’obstacle. La
disposition des obstacles évolue afin d’augmenter la difficulté du parcours au fur et à mesure
de l’avancement de la compétition. La piste dispose de deux axes de symétrie ce qui permet
aux compétiteurs de concourir avec le même niveau de difficulté et un parcours identique
(figure 2).
Axe de symétrie vertical
Axe de symétrie horizontal
Figure 2 La piste avec ses axes de symétrie et des obstacles
Au coup d’envoi, le robot rejoint le coin opposé de son point de départ le plus rapidement et
toujours en moins de 90s. Est considéré comme arrivé tout robot positionné dans sa zone
blanche de destination ayant fait exploser son ballon. Toute agressivité entre robots peut
engendrer des pénalités voire la disqualification.
Lors de chaque manche, les robots obtiennent des points, de 0 à 7 selon que l’objectif est
atteint, totalement ou partiellement, en fonction de la rapidité des concurrents.
Lors de la phase de qualification, les points permettent d’avoir un classement. Seuls les
seize premiers continuent l’aventure en participant à la phase d’élimination directe et joue
ainsi pour la coupe.
1.2.
Les impératifs et le fonctionnement
Le robot se compose d’un châssis équipé de deux roues actionnées par deux moteurs. Les
moteurs sont alimentés par une batterie de 12 V. Un système d’arrêt d’urgence doit
obligatoirement être implanté. Dans notre cas, il s’agit d’un interrupteur qui coupe
l’alimentation de la batterie.
L’homologation du robot requiert le respect de dimensions (figure 3) afin de pourvoir
concourir, contraintes s’appliquant également au ballon.
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Le robot doit partir uniquement lors du retrait du jack. Ce jack est monté en pull-up (figure 4):
il génère un 0 logique quand le jack est positionné et un 1 logique quand il est retiré.
VCC
10cm
minimum
4,7kΩ
40cm
Vers le microcontrôleur
30cm
30cm
Figure 4. Montage pull-up
Figure 3. Dimension du ballon
Pour fonctionner, le robot et les composants consomment l’énergie fournie par la batterie.
Afin de répartir ce besoin un schéma énergétique a été réalisé, au regard des spécifications
techniques fournies (figure 5).
Figure 5. Schéma de distribution de l'énergie
Figure 6. Schéma des entrées et des sorties
Par ailleurs, un schéma synoptique a été élaboré avant de réaliser les cartes (figure 6).
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2. Choix des composants
2.1.
Automate OMRON CPU11 CJ12M
Pour la réalisation de ce robot, le choix d’utiliser un automate a été motivé par sa souplesse
de programmation, et ce malgré son poids et son encombrement. Cette solution a nécessité
l’acquisition de nouvelles compétences en programmation et câblage. L’automate requiert
l’utilisation de plusieurs modules :



PD022 : alimentant l’automate,
MD212 : assurant l’envoi et la réception les informations avec les capteurs tout ou
rien ainsi qu’avec les moteurs,
AD081-V1 : permettant la communication avec les capteurs analogiques.
2.2.
Le hacheur 4Q VNH5019A-E
Dans le cadre de cette compétition, le robot doit être
capable d’avancer ou de reculer. Pour répondre à ce
besoin, un hacheur 4 quadrants (4Q) a été retenu.
Ce montage, composé de quatre transistors (figure
5), actifs en même temps, permet de moduler le
courant afin de faire tourner un moteur dans un sens
ou dans l’autre et assurer la modulation de l’énergie
à fournir au moteur en jouant sur l’intensité de
L
U
Commande 1
Commande 2
courant et son sens de circulation. Ainsi, les moteurs Figure 5. Schéma d'un hacheur 4Q
peuvent tourner dans les deux sens et à vitesse variable.
Le servomoteur MX-12
Ce servomoteur permet de pouvoir faire de pivoter les composants qui y sont fixer. Nous
avons limité l’angle de rotation de -50° à 50°. Il est conçu pour recevoir des informations bit à
bit, qu’il assemble. Cela se nomme une liaison série.
2.3.
Le télémètre Sharp DT35
La vision périphérique est obtenue grâce au télémètre laser SHARP
DT35, fixé sur le servomoteur. Alimenté par du 12V, ce laser émet en
permanence une onde de 685nm (ce qui correspond à du rouge sur le
spectre de la lumière). Il renvoie des informations au microcontrôleur
sous forme analogique. Il a comme fonction de détecter les obstacles
placés sur la piste.
Figure 6. Télémètre Sharp
DT35
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2.4.
Le détecteur OMRON E3Z-LR61
Ce composant émet une onde infrarouge et la reçoit ou non selon que celleci est ou non réfléchie sur un catadioptre positionné à environ 11 m en
diagonal de la piste, indiquant la destination à atteindre. Utiliser en signal tout
ou rien, il émet un 1 logique au microcontrôleur de l’automate quand il
détecte le catadioptre sinon il envoie un 0 logique.
Figure 7. Détecteur
OMRON E3Z-LR61
Ce composant est alimenté en 24V et consomme au maximum 30mA.
2.5.
Le capteur optique CNY70
Equipé d’un d’émetteur de longueur d’onde 950nm (infrarouge)
et d’un récepteur, ce composant permet de détecter la zone
blanche. L’émetteur envoie une onde lumineuse en continue
qui est réfléchie en quasi-totalité sur le blanc ou est en partie
absorbée sur de la moquette sombre (figure 8). Cette différence de réception génère l’envoi
d’informations au microcontrôleur de l’automate par un signal Figure 8. Fonctionnement du
analogique allant de 0 (aucun réflexion) à 5V (réflexion totale). capteur CNY70
Il est placé vers le centre de la Gamelle au plus proche du sol et alimenté en 5V. Il permet
de détecter la zone d’arrivée.
2.6.
La résistance 1Ω
Cette résistance permet de faire exploser le ballon. En effet, lorsque le robot atteindra la
zone blanche d’arrivée une tension de 12V traversera la résistance et la ferra chauffer
enclenchant l’explosion du ballon.
2.7. Les roues codeuses Avago HEDS-5500
Ce composant est alimenté en 5V. Son fonctionnement est le suivant : à chaque tour de
roue, une information est transmise au microcontrôleur qui incrémente leur valeur ou la
décrémente selon le sens de rotation de la roue. Ce dispositif permet d’estimer la distance
parcourue depuis le départ.
3. Les cartes
Sur chaque carte, sont implantés des composants de type CMS en raison de leurs faibles
dimensions.
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3.1.
La carte puissance
R1, R21, R5, R25, R9, R29 :
1KΩ
R2, R7, R10, R22, R72, R210 :
3.3KΩ
R3, R23 : 10KΩ
R4, R24 : 7KΩ
C2 : 470 nF
C1, C21 : 33 nF
C32, C33 : 100 nF
Hacheur droit
4Q VNH5019A-E
Hacheur gauche
4Q VNH5019A-E
Connecteur
communiquant avec la
carte interface
Connecteur pour
alimentation les moteurs
Connecteur batterie
Figure 8. PCB carte moteur du robot
Q1et Q2 : transistors gérant l’alimentation des composants VNH5019A-E par le module de contrôle(PLC)
U5 : porte logique gérant l’ouverture et la fermeture des transistors des hacheurs
U3 : régulateur de tension (transforme du 12V de la batterie en 5V)
P12 : connecteur permettant de communiqué avec l’automate
La « carte moteur » assure la régulation des moteurs (vitesse et sens de rotation). Cette
carte est composée de deux composants VNH5019A-E : un pour chaque moteur. Selon la
datasheet, le montage de ce composant requiert des connexions à différentes résistances et
condensateurs (figure ….). Sur la carte, d’autres condensateurs sont implantés pour éviter les
interférences électriques entre les composants.
3.2.
La carte ballon
Transistor(MOSFET
FDD 5612)
Résistance 100Ω
Connecteur à la résistance
Connecteur à la carte interface
Figure 9. PCB carte ballon
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La « carte ballon » est composée d’un transistor MOSFET FDD 5612 qui se ferme lorsque le
robot arrive sur la zone blanche. Une tension de 12V parcourt alors la résistance de 1 Ω
collée sous le ballon (soit à 32cm du sol). L’échauffement produit engendre l’éclatement du
ballon.
3.3.
La carte CNY70
Résistance 100Ω
Résistance 33kΩ
CNY70
Connecteur à la carte interface
Figure 10. PCB carte capteur
La « carte capteur » permet la détection de la zone blanche d’arrivée. La document
technique impose une tension de 5V et un courant maximum de 50 mA, ce qui implique le
choix d’une résistance de 100 Ω. La valeur de la résistance R2 a été définie à la suite de
tests successifs pour aboutir à une valeur de 33kΩ.
3.4.
Connecteur au
Capteur optique
CNY70
La carte interface automate
Connecteur au
servomoteur
Connecteur
aux moteurs
Connecteur
du ballon
Connecteur à la
roue codeuse droite
Connecteur à la roue
codeuse gauche
Connecteur au
détecteur
OMRON E3ZLR61
Connecteur
Télémètre
Sharp DT35
Connecteur
du jack
Connecteur à
Connecteur au module
l’alimentation
AD081-V1 du PLC
Figure 11. PCB carte interface automate
Connecteur au
module MD212
conRS1 : connecteur définissant le sens de communication avec le servomoteur soit en écriture, soit en lecture
U2 : composant la conversion des données entre le servomoteur et d’automate
U1 : ensemble de 4 AOP amplifiant le signal reçus depuis les roues codeuses pour pouvoir être traiter par l’automate
RBT : régulateur de tension de 12V à 5V
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R1 à R3 : résistances de valeur respective 10kΩ, 2,7kΩ et 470Ω
C1 à C7 : condensateurs de 100nF
4. La programmation
4.1. Détermination du parcours
Le parcours est divisé en plusieurs cibles intermédiaires (Xtarget et Ytarget) en vue d’atteindre le
point final.
Le traitement consiste à calculer la position de la gamelle par rapport au point de départ (Xposition
et Yposition), puis sa distance par rapport à son point cible intermédiaire (distance-target et angletarget) en vue de calculer les informations à transmettre aux hacheurs 4-quadrants commandant la
rotation des roues.
La position par rapport au point de départ est calculé à partir des informations transmises par les
deux roues codeuses.
La position par rapport au point cible est déterminé en appliquant le théorème de Pythagore , puis
approximant la valeur de l’angle à la valeur de la tangente , approximation permise dans le cadre
d’angle de faible valeur.
4.2. Esquive des obstacles
L’acquisition des informations à partir du télémètre (variable telemetre_m) permet de situer la
gamelle par rapport à un obstacle. Si un obstacle se situe à moins de 1 mètre, le servomoteur opère
une rotation pas à pas du télémètre. Si angle par rapport à la cible est inférieur à 45 ° le servomoteur
tourne le télémètre de préférence vers la gauche, sinon il le tourne par la droite en vue de minimiser
le parcours libre d’obstacle sur les 1 mètre suivant. Ensuite une consigne est transmise au 4Q en vue
de commander les rotations des roues de la gamelle.
4.3. Stratégie
En début de parcours, l’environnement est scanné en vue d’atteindre le centre de symétrie, une fois
arriver sur ce point nous prenons comme nouvelle destination le point d’arrivé. Cette stratégie
permet de minimiser le temps de parcours, toutefois elle n’est fonctionnelle que pour des parcours
simples.
Lorsque la gamelle rencontre un obstacle, une nouvelle cible intermédiaire à 15 cm de l’obstacle est
alors définie.
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Conclusion
Ce projet nous a permis d’approfondir nos connaissance dans le domaine de la robotique :


En électronique lors de la conception des cartes électroniques, lorsque nous avons du choisir
les composants et pour les souder
En programmation en langage C pour le programme du microcontrôleur de la carte Nucléo
Par ailleurs, ce projet a favorisé notre apprentissage en autonomie via le choix des composants
notamment. Grâce au travail en équipe, nous avons pu développé notre esprit d’équipe.
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