conception, contôle et réalisation d`un robot

ÉCOLE POLYTECHNIQUE
DE MONTRÉAL
DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE
PROJET ROBOFOOT : CONCEPTION, CONTÔLE ET
RÉALISATION D’UN ROBOT OMNIDIRECTIONNEL
Rapport de projet de fin d’étude soumis
comme condition partielle à l’obtention du
diplôme de baccalauréat en ingénierie.
Présenté par: Marc Antoine Richer-Comisso
Mathieu Béliveau
Matricule:
Directeur de projet: Richard Hurteau
Co-directeur: Julien Beaudry
Date : 7 décembre 2005

ELE4199 Projet de fin d’étude en génie électrique Automne 2005
Rapport de projet
i
S OMMAIRE
Le présent projet de fin d’étude consiste en une élaboration d’un prototype de robot
footballeur omnidirectionnel. Le comité Robofoot de l’École Polytechnique possède déjà
plusieurs robots footballeur à mouvement différentiel. Lors des récentes compétitions, de
la Robocup middle size ligue, l’équipe a pu constater que plusieurs adversaires utilisaient
des robots sans contraintes holonomes. Ils ont pu dès lors constater que ces types de
robots possédaient un net avantage sur les leurs, surtout lors du contrôle de balle et sur la
rapidité d’exécution. Dans le but de rester le plus compétitif possible lors des
compétitions internationales, Robofoot désire donc concevoir un premier prototype de
robot omnidirectionnel sur lequel des études seront effectuées dans le but de créer une
équipe entière de ce type.

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Rapport de projet
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T ABLE DES MATIÈRES
SOMMAIRE...................................................................................................................................................I
TABLE DES MATIÈRES...........................................................................................................................II
REMERCIEMENTS ................................................................................................................................... V
LISTE DES FIGURES ...............................................................................................................................VI
LISTE DES TABLEAUX........................................................................................................................VIII
LISTE DES SYMBÔLE ET ABRÉVIATIONS .......................................................................................IX
1. INTRODUCTION............................................................................................................................... 1
2. PROBLÉMATIQUE........................................................................................................................... 2
3. MÉTHODOLOGIE............................................................................................................................. 4
3.1 C HOIX DU TYPE DE PLATEFORME OMNIDIRECTIONNELLE ............................................................. 6
3.2 C HOIX DES MOTEURS .................................................................................................................... 8
3.3 C HOIX DES ROUES ....................................................................................................................... 10
3.4 C HOIX DES PILES ......................................................................................................................... 14
3.4.1 Historique ............................................................................................................................. 14
3.4.2 NiMH..................................................................................................................................... 15
3.4.2.1 Historique...................................................................................................................................15
3.4.2.2 Fonctionnement général .............................................................................................................15
3.4.2.3 Caractéristique des performances...............................................................................................16
3.4.3 Li-Ion..................................................................................................................................... 18
3.4.3.1 Historique...................................................................................................................................18
3.4.3.2 Fonctionnement général .............................................................................................................19
3.4.3.3 Caractéristique des performances...............................................................................................20
3.4.4 Li-Poly................................................................................................................................... 21
3.4.5 Comparaison entre les technologies ..................................................................................... 21
3.5 C HOIX DU CHARGEUR ................................................................................................................. 23
3.6 M ODÉLISATION .......................................................................................................................... 25
3.6.1 Hypothèse.............................................................................................................................. 25
3.6.2 Cinématique .......................................................................................................................... 26
3.6.2.1 Cinématique directe....................................................................................................................29

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Rapport de projet
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3.6.2.1.1 Disposition des roues ............................................................................................................29
3.6.2.1.2 Exemple de cinématique directe............................................................................................31
3.6.2.2 Coordonnées et repère................................................................................................................33
3.6.2.2.1 Exemple de conversion du repère local à global ...................................................................35
3.6.3 Cinématique Inverse ............................................................................................................. 37
3.6.4 Dynamique ............................................................................................................................ 41
3.6.4.1 Dynamique de la plateforme.......................................................................................................41
3.6.4.2 Dynamique des moteurs .............................................................................................................45
3.6.4.3 Dynamique totale........................................................................................................................47
3.6.5 Contrôleur............................................................................................................................. 49
3.6.5.1 Contrôleur vitesse simple ...........................................................................................................50
3.6.5.2 Contrôleur de vitesse PID rotation & translation........................................................................51
3.6.5.3 Notion de normalisation .............................................................................................................51
3.6.5.4 Optimisation de la vitesse de déplacement avec l’angle d’azimut.............................................. 58
3.6.5.5 Contrôleur de vitesse avec normalisation de la vitesse désirée...................................................61
3.6.5.6 Contrôleur simple de position.....................................................................................................62
3.6.5.7 Contrôleur en position avec normalisation de la vitesse désirée.................................................63
3.7 F ONCTIONNEMENT GLOBAL ........................................................................................................ 64
3.7.1 Viper830................................................................................................................................ 66
3.7.1.1 Connexions à la carte..................................................................................................................67
3.7.2 ACSTech80 Servo Controllers .............................................................................................. 67
3.7.2.1 Signal PWM (Pulse width modulation)......................................................................................70
3.7.3 Le pont en H.......................................................................................................................... 71
3.7.4 Connexion entre les cartes.................................................................................................... 73
3.7.4.1 Connexion entre le PC et les autres cartes..................................................................................73
3.7.4.2 Connexion entre la carte de contrôle et les amplificateurs..........................................................74
3.7.4.3 Connexion entre la carte de contrôle et les encodeurs................................................................77
3.7.4.4 Connexion entre la carte d’amplification et les moteurs.............................................................78
3.8 A UTONOMIE DU PROTOTYPE ....................................................................................................... 79
3.8.1 Consommation des cartes électroniques............................................................................... 79
3.8.2 Consommation des moteurs selon divers scénario................................................................ 80
3.8.2.1 Scénario 1...................................................................................................................................80
3.8.2.2 Scénario 2...................................................................................................................................84
4. RÉSULTATS ..................................................................................................................................... 86
4.1 T EST PRATIQUE SUR LES MOTEURS ............................................................................................. 86
4.1.1 Premier test........................................................................................................................... 86
4.1.2 Second test ............................................................................................................................ 87
4.2 V ALIDATION DE LA SIMULATION ................................................................................................ 88
4.3 C OMPARAISON DES RÉSULTATS ENTRE PROTOTYPE ET SIMULATION ........................................... 91

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Rapport de projet
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4.3.1 Essai de vitesse maximale de rotation................................................................................... 92
4.3.2 Essai de vitesse maximale de translation.............................................................................. 94
4.3.3 Essai d’accélération maximale ............................................................................................. 96
5. DISCUSSION .................................................................................................................................... 98
5.1 C HOIX DE LA PLATEFORME ......................................................................................................... 99
5.2 C HOIX DES ROUES ....................................................................................................................... 99
5.3 C HOIX DES PILES ....................................................................................................................... 100
5.4 C ARTE ÉLECTRONIQUE ET CONNEXIONS ................................................................................... 101
5.5 S IMULATION ............................................................................................................................. 101
5.6 C ONSOMMATION ÉLECTRIQUE .................................................................................................. 102
5.7 M ONTAGE FINAL DU ROBOT ...................................................................................................... 103
5.8 A MÉLIORATIONS POSSIBLES ..................................................................................................... 105
6. CONCLUSION................................................................................................................................ 107
7. BIBLIOGRAPHIE .......................................................................................................................... 108
8. ANNEXE.......................................................................................................................................... 110