http://projet.eu.org/pedago/sin/2nde/5-construction_robots.pdf

Classe de seconde SI-CIT
Construction de robots
Table des matières
1. Principe de fonctionnement..............................................................................................................2
2. Les moteurs......................................................................................................................................2
2.1. Les moteurs solaires..................................................................................................................2
2.2. Les moteurs pas-à-pas...............................................................................................................3
2.3. Les servomoteurs......................................................................................................................3
2.4. La commande des moteurs.......................................................................................................5
2.4.1. Théorie sur la commande d'un moteur continu.................................................................5
2.4.2. L'inversion du sens de rotation d'un moteur......................................................................5
2.4.3. Commande tout ou rien.....................................................................................................6
2.4.4. Commande proportionnelle...............................................................................................6
2.4.5. La modulation par largeur de l'impulsion (MLI ou PWM)...............................................7
3. L'alimentation...................................................................................................................................8
3.1. Les cellules solaires..................................................................................................................8
3.2. Les condensateurs.....................................................................................................................9
3.3. Réalisation...............................................................................................................................11
4. Les capteurs....................................................................................................................................11
4.1. Les différents types de capteurs..............................................................................................12
5. Démarche projet.............................................................................................................................14
5.1. Analyse fonctionnelle externe.................................................................................................14
5.2. Analyse fonctionnelle interne.................................................................................................15
5.3. L’ingénierie de systèmes.........................................................................................................16
6. Constructions..................................................................................................................................17
6.1. ROBOT SOLAIRE N° 1.........................................................................................................17
6.2. ROBOT SOLAIRE N° 2.........................................................................................................17
Les robots solaires représentent une branche relativement nouvelle dans le monde de la robotique.
lls se différencient des robots traditionnels de manière importante : ils ne sont pas intelligents, ils
utilisent une source d'énergie solaire et ils n'ont pas de châssis classique.
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1. Principe de fonctionnement
Les robots solaires utilisent uniquement l'énergie solaire pour se déplacer ou pour agir. Les cellules
solaires utilisées dans ces applications rie fournissant pas assez de puissance pour alimenter un seul
moteur en continu, c'est une électronique adaptée qui permet de contourner ce problème.
Ainsi, on peut utiliser des capteurs de contacts ou de lumière, car le système est peu gourmand en
électricité.
On commence par charger un condensateur (qui devient équivalent à une pile) avec l'énergie
obtenue par la cellule solaire. Lorsque sa charge atteint une tension suffisante, le système transfère
son énergie vers le moteur. Ce dernier démarre alors bien mieux que s'il était directement connecté
sur la cellule solaire.
Le résultat obtenu est un petit robot mobile autonome qui se contente d'une lumière artificielle,
même faible, pour se déplacer et agir sur son environnement.
2. Les moteurs
2.1. Les moteurs solaires
La condition principale qui définit un moteur solaire est sa tension de fonctionnement. Une tension
inférieure à 3 V convient déjà pour certaines réalisations mais une tension inférieure est encore
meilleure. On trouve facilement des moteurs de tenson égale à 1,5 V.
Même si on commence à pouvoir s'approvisionner correctement en moteurs solaires « classiques »,
ces derniers sont cependant trop volumineux par rapport à la taille d'un robot solaire. On leur
préférera les moteurs des baladeurs à cassettes ou des lecteurs de cédérom. Tant du point de vue de
la tension que du volume, ils sont plus intéressants : leur tension est inférieure à 2 V, et plus légers,
ils sont souvent assez plats. De plus, leur rendement est très bon et leur couple de démarrage
suffisant.
Mais il y a encore mieux : les moteurs de vibreurs de nos téléphones portables. Ces moteurs
possèdent une tension de 1,5 V et un couple suffisant. Leur seul défaut est d'être encore un peu
chers et pas forcément disponibles partout.
• Voltage: 5V
• Couple: 3.6 Kg-cm
• Courant: 600 mA essieu barré et 52 mA en rotation libre
• Vitesse: 360 degrés/1,6 sec
• Réduction: 224:1
• Longueur (essieu): 7mm double plat
• Dimensions: 55x48x23 mm
• Poids: 37 grammes
Ce Moteur Réducteur se comparent à la puissance des
servomoteurs.
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2.2. Les moteurs pas-à-pas
Ce type de moteur est très particulier, tant par son fonctionnement que par son pilotage. Ainsi, on
peut l'utiliser comme élément de déplacement (roue, chenille) ou comme élément de positionnement
(tête mobile, mince). Son aspect physique est en général celui d'un cube, avec l'arbre dépassant
d'une face. Cet arbre tourne librement sur 360°, dans le sens horaire cornue dans le sens anti-
horaire. La particularité de ces moteurs réside dans le fait que l'arbre tourne par pas, le nombre de
pas variant en fonction du modèle de moteur. Il existe des moteurs de 4 pas (7,5° par pas), 100 pas
(3,6° par pas), voire 200 pas (1,8° par pas). Autre caractéristique intéressante, les moteurs pas-à-pas
sont capables de fournir un couple important, ce qui permet de mouvoir un robot, ou de soulever
des objets.
En ce qui concerne le pilotage, il convient d'alimenter des bobines internes par phases successives,
On pourra ainsi faire tourner l'arbre par pas entier dans chaque sens de rotation ou par demi-pas, ce
qui double la résolution angulaire de positionnement. Tant que la commande électrique est active,
mais sans changer de phase, l'arbre reste dans sa position, et il ne peut être forcé de manière
extérieure. La vitesse de rotation de l'arbre est fonction de la vitesse de changement de phase
d'alimentation des bobines.
Les moteurs pas-à-pas se trouvent principalement sous les deux formes présentées ci-dessous.
Les bobines des moteurs sont à point milieu ou séparées, et leurs caractéristiques s'en trouvent
modifiées. Les modes de pilotage de ces moteurs sont donc différents. On pourra toutefois câbler
les bobines séparées du second modèle de la mème manière que le premier modèle, mais au
détriment des performances.
2.3. Les servomoteurs
Les servomoteurs, tout comme les moteurs pas-à-pas, ont un mode de fonctionnement particulier.
Ils permettent aussi un asservissement de position, mals uniquement sur une plage de 180° pour les
modèles courants. Leur taille est sensiblement supérieure à celle d'un petit paquet d'allumettes, pour
un couple impressionnant : 30 N.cm pour le modèle S148.
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Le pilotage d'un servomoteur ne requiert qu'un signal logique et une alimentation de +5V. Sa
consommation est de quelques centaines de mA, variable en fonction de l'état du moteur : arrêté
sans signal de commande, arrêté sur une position avec signal de commande ou en mouvement avec
une charge.
De très nombreux modèles sont disponibles sur le marché ; les différences majeures se situent
essentiellement au niveau de la vitesse de rotation, du couple maximum et de l'encombrement.
Bien entendu, ces caractéristiques influent sur le prix, mais on trouve aisément des servomoteurs
standards (H5300, S148) pour moins de 14 €.
En ce qui concerne le signal de pilotage, il est tout aussi particulier que le moteur ! Il s'agit d'un
signal de fréquence fixe (f = 50 Hz, soit T = 20 ms), mais dont la largeur de l'impulsion positive
détermine l'angle de positionnement de l'arbre.
La position neutre (0°) est obtenue pour une durée de 1,5 ms. Les deux valeurs extrêmes sont 1 ms
(-90°) et 2 ms (+90°). Ces indications dépendent de la référence exacte du moteur choisi.
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Toutes les valeurs intermédiaires entre 1 ms et 2 ms sont acceptées, ce qui permet un
positionnement précis de l'arbre du servomoteur.
Un autre point important à savoir est qu'il est inutile de gérer le sens de rotation, puisque
l'électronique intégrée du servomoteur le fait de manière automatique. Ainsi, des séquences de
positionnement complexes sont réalisées par la seule modification de la largeur de l'impulsion de
commande. Dans ce contexte, il faut tenir compte de la vitesse de rotation de l'arbre, afin qu'il
atteigne sa position prévue, avant de modifier le signal de commande pour la position suivante.
2.4. La commande des moteurs
2.4.1. Théorie sur la commande d'un moteur continu
La figure ci-dessous montre le schéma employé pour piloter un moteur à courant continu :
Le moteur étant par nature inductif, il est nécessaire de rajouter une diode de récupération (ou diode
de roue libre) pour éviter la discontinuité du courant.
2.4.2. L'inversion du sens de rotation d'un moteur
L'inversion du sens de rotation d'un moteur à courant continu est obtenue simplement en inversant
le branchement du moteur. Si le schéma est universel (structure en H), il est recommandé de se
procurer un circuit intégré qui réalise cette fonction, mais le coût et la disponibilité ne sont pas des
facteurs encourageant cette solution.
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