École Polytechnique de Montréal Département de génie

École Polytechnique de Montréal
Département de génie électrique
ELE3100 - Projets de génie électrique
Robotique et informatique
Cours no. 8: Électronique de contrôle pour
robots mobiles
Coordonnateur:
Réjean Plamondon, ing. Ph.D., professeur titulaire
Département de génie électrique, section génie biomédical (A.429.16)
Courriel: [email protected]
Chargé de cours et de laboratoire:
Julien Beaudry, étudiant M.Sc.A. (A.321)
Courriel: [email protected]
Chargé de laboratoire:
Moussa Djioua, étudiant Ph.D. (A.408)
Courriel: [email protected]
ELE3100, Projets de génie électrique:
électronique de contrôle pour robots mobiles
Plan du cours
• Problématique
• Principales architectures de contrôle
• Circuits d’amplification pour moteurs DC
• Autres circuits usuels
• Principales interfaces entre ces circuits
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Problématique
Rôle de l’électronique au sein d’un robot:
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Problématique
Rôle de l’électronique au sein d’un robot:
• Cela permet en quelque sorte de créer le système
nerveux du robot.
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Problématique
Rôle de l’électronique au sein d’un robot:
• Cela permet en quelque sorte de créer le système
nerveux du robot.
• Un robot mobile devant raisonner dans
le but
d’accomplir différentes tâche doit être muni de différents
capteurs et actuateurs interfacés par une unité de
traitement informatique (micro-contrôleur ou ordinateur
embarqué).
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ELE3100, Projets de génie électrique:
électronique de contrôle pour robots mobiles
Problématique
Rôle de l’électronique au sein d’un robot:
• Cela permet en quelque sorte de créer le système
nerveux du robot.
• Un robot mobile devant raisonner dans
le but
d’accomplir différentes tâche doit être muni de différents
capteurs et actuateurs interfacés par une unité de
traitement informatique (micro-contrôleur ou ordinateur
embarqué).
• Il est nécessaire d’utiliser des circuits d’interface
appropriés.
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Problématique
Voici une liste des principales
électroniques d’un robot mobile :
composantes
Ordinateur ou micro-contrôleur
Système de vision
Cartes de contrôle numérique
Console de commande
Cartes d'interface
Circuits d’alimentation des moteurs
Encodeurs optiques
Circuits d’alimentation
Capteurs analogiques
Batteries
Capteurs numériques
Câblage
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Principales architectures de contrôle
Que cherchons-nous à faire généralement?
• Les robots mobiles sont souvent munis de moteurs DC.
• En général, nous désirons les contrôler en vitesse ou
en position, grâce à une boucle de contrôle performante
(exemple: contrôleur PID).
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Principales architectures de contrôle
Exemple typique de boucle de contrôle de moteur DC:
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Principales architectures de contrôle
Existe-t-il d’autres techniques de contrôle?
• Parfois, un contrôleur individuel pour chacun des
moteurs n’est peut-être pas la solution désirée.
• Il existe donc différentes architectures possibles
permettant d’implanter différents types de
contrôleur.
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Principales architectures de contrôle
Contrôle par carte(s) dédiée(s):
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ELE3100, Projets de génie électrique:
électronique de contrôle pour robots mobiles
Principales architectures de contrôle
Contrôle par carte(s) dédiée(s):
• Avantages : boucle de contrôle rapide, peu d’utilisation du
CPU, grand choix de moteurs
• Inconvénients : circuiterie complexe, peu de flexibilité au
niveau du contrôle
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Principales architectures de contrôle
Exemple de carte dédiée : ESC629 de RTD
(http://www.rtd.com/PC104/UM/controller/esc629.htm )
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Principales architectures de contrôle
Contrôle par moteurs avec contrôleurs:
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ELE3100, Projets de génie électrique:
électronique de contrôle pour robots mobiles
Principales architectures de contrôle
Contrôle par moteurs avec contrôleurs:
• Avantages : boucle de contrôle rapide, peu d’utilisation
du CPU, circuiterie simple
• Inconvénients : peu de flexibilité au niveau du contrôle,
communication lente, moteurs dispendieux et choix
limité
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Principales architectures de contrôle
Contrôle par ordinateur embarqué:
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ELE3100, Projets de génie électrique:
électronique de contrôle pour robots mobiles
Principales architectures de contrôle
Contrôle par ordinateur embarqué:
• Avantages : grande flexibilité au niveau du contrôle, grand
choix de moteurs
• Inconvénients : circuiterie complexe, utilisation plus
importante du CPU, boucle de contrôle plus lente
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Circuits d’amplification pour moteurs DC
Fonctionnement du pont en H:
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Circuits d’amplification pour moteurs DC
Fonctionnement du pont en H: sens de rotation positif
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Circuits d’amplification pour moteurs DC
Fonctionnement du pont en H: sens de rotation négatif
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Autres circuits usuels
Circuit d’alimentation, exemple simple:
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Autres circuits usuels
Exemple de schéma-blocs, robots footballeurs:
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Autres circuits usuels
Choix des batteries:
Le choix des batteries est crucial dans le processus de conception d’un
robot mobile puisqu’il implique d’importantes contraintes aux niveaux de la
conception mécanique et de l’autonomie électrique. Effectivement, le
volume occupé par les batteries et le poids qu’elles possèdent influencent
de façon importante la conception mécanique au niveau de la disposition
des éléments et au niveau du choix des moteurs. Il est donc
inévitablement nécessaire de faire des compromis entre autonomie
électrique et poids des batteries pour ainsi obtenir un robot qui offre des
performances en accélération satisfaisantes et une autonomie électrique
également satisfaisante.
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Autres circuits usuels
Choix des batteries:
Il existe trois principales familles de batteries rechargeables qui sont
appropriées pour une utilisation dans un robot mobile (utilisation cyclique,
décharge rapide et courants demandés de quelques ampères): les
batteries à acide-plomb ("SLA"), les batteries au Nickel-Cadmium ("NiCd") et les batteries au Nickel-Hydride de métal ("Ni-MH"). Les deux
dernières familles (Ni-Cad et Ni-MH) offrent une densité d’énergie
beaucoup plus grande que la première (SLA), la plus grande densité étant
offerte par les batteries Ni-MH. Ces batteries sont toutefois beaucoup plus
dispendieuses que les batteries à acide-plomb et elles demandent
également une attention plus soignée au niveau de la recharge. La
solution à acide-plomb constitue donc une solution très peu dispendieuse
et la recharge de ces batteries est assez facile. Par contre, leur densité
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d’énergie est assez faible et elles impliquent donc un poids important, ce
qui limite les performances du robot.
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Autres circuits usuels
Choix des circuits DC-DC:
Les convertisseurs DC-DC permettent de transformer la tension
d’alimentation du robot, soit la tension provenant des batteries en niveaux
de tension utilisés par l’électronique de contrôle, soit du +5V, du +12V et
possiblement du –12V et –5V.
Pour choisir ces convertisseurs, il est nécessaire d’évaluer la puissance
demandée par la totalité des circuits pour un niveau de tension donné.
Ces différentes valeurs de puissance se retrouvent dans les fiches
techniques des circuits et cartes utilisés. Il faut également prévoir une
certaine marge au niveau de la puissance disponible pour prévoir des
ajouts futurs. Par exemple, dans le cas du robot footballeur, il faut prévoir
l’ajout d’un système de vision embarquée.
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Autres circuits usuels
Principaux circuits d’interface:
•Entrées/sorties numériques : permettent de lire l’état de capteurs
numériques ou de capteurs analogiques numérisés par un CAN et de
générer des signaux de commande numériques.
•Entrées/sorties analogiques : permettent de lire l’état de capteurs
analogiques et de générer des signaux de commande analogiques.
•Compteurs : permettent de compter des signaux numériques, par
exemple les incréemnts des encodeurs optiques incrémentaux.
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Autres circuits usuels
Principaux circuits d’interface:
•Horloges : permettent de contrôler des processus temporels (périodiques
ou non) de façon beaucoup plus précise que ce qu’offre le système
d’exploitation de l’ordinateur embarqué.
•Sorties PWM : certaines cartes peuvent offrir directement des sorties
PWM.
•Circuits de lecture d’encodeurs optiques : certaines cartes offrent des
circuits dédiés à la lecture d’encodeurs optiques.
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Autres circuits usuels
Exemples de circuits d’interface (en format PC104):
Carte d’interface d’encodeurs optiques :
Carte de compteurs et horloges (pour PWM) :
http://www.acs-tech80.com/products/5912/index.html
http://www.diamondsystems.com/products/quartzmm
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Autres circuits usuels
Exemples de circuits d’interface (en format PC104):
Carte E/S (32 E 4 S anal., 24 E/S numériques) :
Carte 48 E/S numériques :
http://www.diamondsystems.com/products/diamondmm32at
http://www.versalogic.com/Products/DS.asp?ProductID=62
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électronique de contrôle pour robots mobiles
Principales interfaces entre ces circuits
Principales interfaces disponibles sur un ordinateur embarqué:
• Différents bus sériels et parallèles:
CAN, I2C, RS232, RS422, RS485, USB, IEEE-1394 (FireWire),
I2C, Ethernet, port parallèle
• Les principaux bus utilisés:
bus PCI (PC/104+), bus ISA (PC/104)
Références web:
http://www.pc104.org
http://www.interfacebus.com/Interface_Bus_Types.html
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