RobotGEII 16-17 : Différence entre versions

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=={{Bleu|Contrôle deux moteurs CC par un shield (L298P)}}==
 
=={{Bleu|Contrôle deux moteurs CC par un shield (L298P)}}==

Version du 22 janvier 2017 à 17:30

Présentation

Présentation du projet

Ce projet consiste à réaliser un robot pour participer à la coupe de robotique des GEII. Pour fabriquer ce robot nous devons respecter un cahier des charges défini par le règlement(reglement).Le principe de ce concours est d'aller le plus rapidement possible d'un coin à l'autre d'une arène carrée de 8 metres de coté, tout en esquivant les obstacles jonchant le parcours et les autres robots. Une fois arrivé, le robot doit perçer un ballon qui lui est attaché en début de course.

Cahier des charges fonctionnel

Schéma fonctionnel de degrés II

Shema fonctionnelle.png

Schéma fonctionnelle 1er degres

Shema fonctionnelle 1er degres.png
Shema fonctonnelle 2.png

Solutions techniques

Pour fabriquer ce robot nous avions plusieurs choix pour procéder à l’évitement des obstacles, ainsi qu'au guidage vers la zone. Nous avons choisi pour guider le robot un système hybride composé d'e roues codeuses et d'une caméra CMUCam Pixy, spécialisée dans la reconnaissance d'objets. La roue codeuse permettra d'effectuer le début du parcours, et sera remplacée par la caméra, plus précise, une fois la distance de détection atteinte. L'évitement des obstacles sera assuré par trois capteurs infrarouges SHARP GP2Y0A21YK0F, permettant la detection d'objets jusqu'à 80 centimetres de distance, qui, placés à l'avant du robot, permettront l'esquive si un obstacle est rencontré.

Etude et Réalisation des Differentes Parties

Alimentation et Régulation

Batterie

La batterie est imposé :

Tension 12 V
Capacité 7 Ah
Batterie

Moteurs de roues

Les moteurs sont imposés.

  • Caracteristique du moteur:
Marque Dunkermotoren G 42*25
Tension 15V
In 1.45 A
Ifm 10.9A
Rpm 3300 tr/mn
Dunkermotoren G 42*25


  • Tests en conditions réeles sur les moteurs montés sur le robot ( U=12V ) :
Résistance électrique 4 ohm
Courant à vide 0.28 A
Courant en charge nominale robot 0.7A
Courant en charge au démarage robot 1.6A


  • Consommation maximum en courant pour les 2 moteurs du robot :

Imax = 2*1.6A = 3.2A


Régulation de la tension d'alimentation

  • Les besoins :


Alimentation Arduino MEGA:

Operating Voltage 5V
Input Voltage (recommended) 7-12V
Input Voltage (limit) 6-20V
Total output current MAX 800mA

On constate qu'il est possible d'alimenter la carte Arduino Mega directement avec la tension de la batterie ( 12.8V chargée).
Il n'est pas récommandé, car le régulateur intégré dans l'Arduino chaufferait, ce qui pourrait endomager le microcontroleur.

Solutions Alimentation Arduino MEGA:

  1. Tension d'alimentation inferieure à 12 V
  2. Tension régulé de 5V qu'on fait venir directement sur les pattes VCC d'Arduino:

Le courant maximum réquis: 800mA


Alimentation Moteurs de Roues :

Tension maximum réquise: 15V
Courant maximum réquis: 3.2A


  • Utilisation d'un Convertiseur DC/DC

Nous avons utilisé une carte faite par des étudiants des années précedents.

Carte d'alimentation

Cette carte contient deux régulateurs à découpage:

  1. LM2596S fournit 5V ( 3A max )
  2. XL6009E1 qui fournit 12V ( 4A max )

Les régulateurs fournissent largement le necessaire en tension et courant.
Pour le semestre suivant nous prévoyons à réaliser une autre carte d'alimentation, qui sera plus compacte.

Contrôle deux moteurs CC par un shield (L298P)

Pour commander les moteurs nous allons utiliser le pont H L298P [ datasheet].

L298P

Le composant est ci-dessous:

L298P

Pour faire des tests nous avons utlisé le Motor Shield For Arduino. En connectant ce shield à l'arduino nous pouvons commander les deux moteurs (commande du sens et de la vitesse).

L298P
  • PWM

Nous allons utiliser le shild en mode PWM, on placera donc les jumpers en conséquence.

L298P
  • Borne du moteur

Nous avons deux bornes (bleues) pour connecter les moteurs CC. Les connecteurs mâles derrière sont identiques à celui des bornes bleues.

L298P
  • PWRIN

Les moteurs peuvent être alimentés par une alimentation externe lorsque le courant du moteur dépasse les limites fournies par l'Arduino (Il est conseillé de séparer les alimentations d’Arduino et des moteurs). Le changement entre la puissance externe et l'arduino est mis en oeuvre par deux jumpers .

PWRIN: Alimentation externe.
VIN: Alimentation du Arduino.

On placera donc les jumpers d’alimentation sur PWRIN.

Arduino Shield6.png


On doit avoir quelque chose comme cela:

L298P
  • Signal de contrôle Tableau de vérité
E1 M1 E2 M2 Texte de l’en-tête
L X Moteur 1 desactivé L X Moteur 2 desactivé
H H Moteur 1 en arrière H H Moteur 2 en arrière
H L Moteur 1 en avant H L Moteur 2 en avant
PWM X Control vitesse PWM PWM X Control vitesse PWM

NOTE:

H: Niveau haut
L: Niveau bas
X: N'importe quel niveau.

Mode PWM

Commande Moteur Pin Arduino Pin Atmega328p Siginification
M1 Gauge 4 PD4 Contrôle du sens de rotation
E1 (PWM) Gauge 5 PD5 Contrôle de la vitesse de rotation
M2 Droit 7 PD7 Contrôle du sens de rotation
E2 (PWM) Droit 6 PD6 Contrôle de la vitesse de rotation


  • Exemple de code


Nous allons gérer les moteurs par des signaux PWM (-255 a 255), le signe moins (-) indique que le moteur fonctionne en marche arrière, et le signe plus (+) qu'il fonctionne en marche avant. Ce code nous permet de gérer les deux motors par la fonction setVitesse(vG,vD). Dans la suite nous allons l'utiliser pour gérer le déplacement du robot.

[Développer]

Code exemple

Positionnement du robot: Explication du principe

Approximation par des segments de droites

Le positionnement du robot est obtenu par odométrie, c'est à dire que la position est obtenue par intégration de petits déplacements. L'intérêt de l'odométrie est qu'elle est assez simple à mettre en oeuvre et qu'elle est fiable. Par contre, quand on intègre les déplacements, on intègre aussi l'erreur ce qui fait que l'erreur de position croît avec le temps.

Entre deux lectures, on peut savoir de combien s'est déplacée chaque roue codeuse et il faut à partir de cela en déduire la position du robot.


GrapheASD.png

Appelons ∆d et ∆g les distances (en mm) parcourues respectivement par les roues droites et gauches entre deux lectures des LM soit un intervalle de temps Te. Connaissant la position du robot à l'instant n-1, on cherche la pose à l'instant n.


4545.png

On a donc : ∆moy_n = (∆d_n + ∆g_n)/2

∆dif_n = ∆d_n - ∆g_n

∆x_n = ∆moy_n cos(theta_n-1)

∆y_n = ∆moy_n sin(theta_n-1)

∆theta_n = ∆dif_n/L


x_n = x_n-1 + ∆x_n

y_n = y_n-1 + ∆y_n

theta_n = theta_n-1 + ∆theta_n

Estimation de la position du robot

Etude et Réalisation Carte Encodeurs

L'odométrie nous permettra d'estimer la position du robot en mouvement, des le debut et jusqu'à la détéction de la balise par la caméra. C'est à partir de la mesure des déplacements des roues, qu'on pourra reconstituer le mouvement du robot. En partant d'une position initiale connue et en intégrant les déplacements mesurés, on peut ainsi calculer à chaque instant la position courante du véhicule.


Pour mésurer le déplacement des roues, nous allons utiliser un encodeur, monté sur l'axe de chaque roue.

Encodeur roue.PNG


ENCODEUR DE BASE: Ce montage basique permet de mesurer la vitesse de rotation à partir de la fréquance, mais il ne permet pas de connaitre le sens de rotation.

principe


ENCODEUR EN QUADRATURE: Celui-ci nous permettra de connaitre à la fois le sens et la vitesse des roues. Il est composé d’un disque rotatif, 1 led infrarouge et 2 capteurs optique décalé un par rapport à l’autre de 90°. C’est justement ce décalage la qui va nous permettre de connaitre le sens de rotation de la roue. Suivant le sens de rotation, nous auront deux signaux déphasés en avance/retard de 90°.La vitesse sera déterminé en fonction de la fréquence.

Encodeur en quadrature.PNG


Signaux de sortie.PNG
            Les signaux de sortie à l’oscilloscope



CAPTEUR TCUT 1300. Nous allons utiliser ce capteur il nous permettra d'avoir le sens et la vitesse de chaque roue. The TCUT1300X01 is a compact transmissive sensor that includes an infrared emitter and two phototransistor detectors, located face-to-face in a surface mount package.

Tcut1300.PNG
TCUT1300 1.PNG


Caracteristiques Tcut 1300.PNG








Schéma et dimensionement composants

Emiter: If = 10mA (Vf = 1.2V), Re = (5V-Vf)/If = 380 ohm.

Collector: Ic sat = 0.4mA (If = 10mA), Rmin = Vce /Ic = 12.5 kohm. Vce sat = 0.4V max (pour Ic sat = 0.4mA, If = 10mA ). On prendra Rc = 15 kohm.

Schéma TCUT 1300.PNG



Schéma et routage en Eagle

Schéma Encodeur.PNG
Routage Encodeur.PNG





Réalisation carte (2 exemplaires)


- Carte simple face CMS.

Carte finale.PNG

Roue codeuse

Pour determiner la position du robot nous allons utiliser deux Roues Codeuses et deux capteurs (TCUT 1300). Nous avons créé le roue sur le logiciel GEFAO et fabrication avec la machine charlyrobot. Vous trouverez ici le fichier de la roue (Fichier:RoueCodeuse.zip).


Roue Codeuse composée de 30 dents

Valeurs recu par les capteurs

Cette roue sera placer sur l'arbre des motors et sur les deux capteurs, lorsque le moteur est en train de tourner les capteurs va nous envoyer une signal qui se resamblera à:


  • Si la roue en avant

Il faut remarquer que la signal 1 est en avance. Donc sur chaque front montant de la signal 1, la signal 2 est à 0. Et sur chanque front descendate de la signal 1, la signal 2 est à 1. Ce raisonnement sera utiliser dans le code du proogramme.


Signal capteurRC.jpg


  • Si la roue en arriere

Il faut remarquer que la signal 1 est en retard. Donc sur chaque front montant de la signal 1, la signal 2 est à 1. Et sur chanque front descendate de la signal 1, la signal 2 est à 0. Ce raisonnement sera aussi utiliser dans le code du proogramme.


Signal capteurRCarriere.jpg


Il faut remarquer que si le robot avance, la roue codeuse est en arriere et si le robot recule la roue codeuse est en avant. Ce effet est du aux engranages qui sont sur les moteurs et la roue.

Interruptions et timer


  • Interruptions INT0 et INT1: Code example

Dans cette partie nous allons utiliser les interruptions et les timers. On utilisera les inturruptions (INT0 et INT1) pour dechancher un code a chaque fois que les dents de la roue codeuse travers le flux lumineuse du capteurs (sur le front montant et front descendant). Nous allons aussi utliser un timer qui sera dechanché sur un temps assez petit ( <10ms) pour calculer un deltaX, un deltaY et un detaTeta qui nous permetront de determiner la position du robot a chaque instante.

[Développer]

Code example

  • TIMER 1


En faite nous allons calculer la position du robot en ajoutant de petits deltas de postition lequels seront calculer sur un temps suffisamment petit ( <20ms) pour eviter que l'erreur soit grand. On utilisera un drapeau pour eviter de faire de calculs dans le ISR(TIMER1_COMPA_vect), nous allons les faire plutot sur while(1), cela nous permettra de reduire l'erreur.

[Développer]

Code example

Suivons une ligne droite

On sait que le moteurs n'ont pas la vitesse, donc il faut essayer de faire cela par code. On va donc faire setVitesse(Vmax * cos(Teta + PI / 4.0), Vmax * sin(Teta + PI / 4.0)), les cos et sin nous permettra jouer sur la vitesse et de cette facon faire que le robot suis une ligne droite. Il faut remarquer qu'il ne va pas s'arreter.

[Développer]

Code de Suivons une ligne droite

Suivons une consigne

Cette fois nous pourrons donner une valeur en X ey Y et le robot sera capable d'arriver au point et s'arreté. La valeurs doit etre donnée en cm.

[Développer]

ws2812_config.h

Detection d'obstacles

Caméra

Choix camera

Nous avons testé 3 cameras différentes, la PiCam, la CMUCam3 et la CMUCam5 Pixy

Cmu Cam 3.jpeg
vignette


Nous avons choisi d'utiliser la CMUCam 5(site CMU cam 5) car elle est beaucoup plus simple d'utilisation que les deux autres. En effet, celle ci dispose d'une interface dre réglage, PixyMon, lui permettant d'enregistrer les signatures des objets à détecter, et de régler l'acquisition pour restreindre la détection à ces signatures précises. De plus, celle ci dispose d'un support mû par des servomoteurs permettant d'élargir son champ de vision.

Camera CMU cam 5

Tout d’abord nous avons réalisé une simple reconnaissance d'objet grâce au logiciel, il suffit pour cela de sélectionner l'objet en question via une interface, Pixymon. Nous avons ensuite choisi d'utiliser une balise lumineuse pour que la camera la repère le plus loin possible. balise test.



Grâce à cette balise nous avons pu déterminer la distance maximale de détection avec une balise de taille réglementaire. Nous avons ainsi déterminé que la balise était capable d'effectuer une détection à approximativement 6m.

Programme de gestion du cap

Nous avons réalisé un programme permettant de récupérer la position en X d'un objet par rapport à la caméra

[Développer]

Code exemple


Cette fonction a été testée avec le main suivant

[Développer]

Code exemple


Il est nécessaire d'appeler les bibliothèques SPI.h et Pixy.h, et de déclarer et d'initialiser Pixy dans le setup. Ceprogramme ne permet cepandant pas l'usage des servomoteurs, limitant le champ de vision.

Mise à l’arrêt du robot et le perçage du ballon

La mise à l’arrêt du robot et le perçage du ballon doivent avoir lieu simultanément. Cela doit se produire quand le robot est arrivé dans le coin opposé.


Mise à l’arrêt du robot

Pour se diriger vers le bon coin, le robot est guidé par la caméra qui suit une balise lumineuse. Maintenant qu'il est guidé dans la bonne direction, nous devons procéder à une mise à l’arrêt rapide des qu il franchi le coin opposé. Le coin possède la particularité d'avoir une surface au sol de couleur blanche, alors que le reste du sol est bleu. Une solution évidente est d’utiliser le principe d’une diode émettrice infrarouge et d'un photo transistor récepteur infrarouge. Ainsi on pourra arrêter le robot quand il franchit une surface blanche.

Principe.PNG


Le capteur CNY70 : Nous pourrons utiliser ce capteur infrarouge pour détecter la couleur du sol.


CNY 70.PNG
Sd.PNG





Schéma et dimensionement composants


Emetteur: If = 20mA (Vf = 1.15V), Re = (5V-Vf)/If = 195 ohm.

Collecteur: Ic = 0.5mA (pour If = 20mA, Vce = 5V, d = 2mm), Rc = Vce /Ic = 10 kohm.


Schéma et routage sur Eagle

Schéma CNY70.PNG




Routage CNY 70.PNG






Réalisation carte

Capteur.JPG



le transistor mofset : Le transistor est un composant électronique qui est utilisé comme interrupteur dans les circuits logiques, comme amplificateur de signal, pour stabiliser une tension, moduler un signal ainsi que pour de nombreuses autres applications.On a utilisé le transistor mofset fournit 5V pour le moteur tourne et perce le ballon.

Mosfet1.gif


Schéma et routage sur Eagle

IMG 6149.JPG




IMG 6148.JPG


Réalisation carte

IMG 6147.JPG





Perçage du ballon

Nous avons testé deux moteurs ,un moteur normal et SM-S4303R et deux matériaux,le fer et le plastique pour faire la perçage:

Finalement nous avons choisi le moteur normal,car le SM-S4303R est moins puissant,il tourne pas assez vite, pour percer des ballons c'est pas possible, Pour l'aiguille, nous avons choisi d'utiliser du fer, afin de facile de faire de pointe et sa facilité d'utilisation.Pour fixer le moteur on met le à un accommodant .

Le dispositif pour percer des ballons.JPG

Nous avons met un ballon dessus d'accommodant et utilise des cordes le fixe,on place des anode et cathode avec la carte de arduino,quand on demarre le robot, une carte avec le capteur cny60 qui connait des couleurs,selon des règles,le robot cherche point final et arrêt,la carte arduino et la carte utilise transistor mofset avec la tension fournissent 5 V tourne l'aiguille et perce de ballon.


Réalisation Carte des "Entrées et Sorties" et du Pont H


Objectifs et Composants utilisés )

  • Objectif: concevoir une carte compacte qui va héberger le composant L298N pour le contrôle des moteurs ainsi que toutes les entrées et les sorties.La carte devra s’emboîter sur la carte Arduino Mega.


Les Entrées Les Sorties
Alimentation (5V) Moteur Gauche
Alimentation moteurs (12V) Moteur Droit
Encodeurs (TCUT1300) Commande perçage Ballon
Camera (CMUCam 5)
3 capteurs obstacles (IR)
Couleur Sol (CNY70)
PWM Moteurs
Sens rotation Moteurs


  • Références des composants utilisés:
Qté Nom Référence Eagle
1 Dual H-Bridge L298n
1 Radiateur pour L298n
1 Connecteur ISP AVR-ISP-6
8 Diode 1N4004
2 Condensateur E 1.8-4 package 100nF
4 Résistance 1 ohm package 207/10
1 Connecteur Farnell 6 pins CMS
6 Connecteur Molex 2 pins 22-27-2021-02 traversant
3 Connecteur Molex 3 pins 22-27-2031-03 traversant


Schéma électrique de la carte (Eagle)

Schéma Complet


Routage et correspondance des pins (Eagle)

Schéma Complet


La commande des Moteurs de Roues (L298n H-Bridge)

Commande Moteur Pin Arduino Pin ATmega2560 Signification
EnableG (PMW) Gauche 5 PE3 Contrôle de la vitesse de rotation roue G
Input1 Gauche 10 PB4 Contrôle du sens de rotation (H/L)
Input2 Gauche 4 PG5 Contrôle du sens de rotation (H/L)
EnableD (PMW) Droit 6 PH3 Contrôle de la vitesse de rotation roue D
Input3 Droit 11 PB5 Contrôle du sens de rotation (H/L)
Input4 Droit 7 PH4 Contrôle du sens de rotation (H/L)

Les signaux d'entrée et de sortie

Signal Type Pin Arduino Pin ATmega2560 Signification
++roueG digital INPUT 9 PH6 Capteur sens positif roue G
--roueG digital INPUT 3 PE5(INT5) Capteur sens négatif et vitesse roue G
++roueD digital INPUT 8 PH5 Capteur sens positif roue D
--roueD digital INPUT 2 PE4(INT4) Capteur sens négatif et vitesse roue D
Out Ballon digital OUTPUT 12 PB6 Signal de commande pour le Perçage du Ballon
IR gauche analog INPUT 96 PF1 Signal distance obstacle capteur AV gauche
IR centre analog INPUT 95 PF2 Signal distance obstacle capteur AV centre
IR droit analog INPUT 94 PF3 Signal distance obstacle capteur AV droit
Couleur SOL analog INPUT 93 PF4 Signal 0-5 V suivant couleur et nature du sol
MISO liason ISP 50 PB3 Communication avec la Caméra
SCK liason ISP 52 PB1 Communication avec la Caméra
SS liason ISP 53 PB0 Communication avec la Caméra
MOSI liason ISP 51 PB2 Communication avec la Caméra
RESET liason ISP 30 RESET Communication avec la Caméra

Média:Arduino-mega-pinout-diagram.png


La carte finale et les connecteurs

Figure 1 La carte finale

Figure 2 Carte Récto
Figure 3 La carte Vérso avec un défaut










Figure 4 Montage sur le Robot

Problèmes rencontrés:

Comme on peut voir sur la figure numéro 2, une piste à été coupé lors de la réalisation de la carte. Cet défaut s'est manifesté par une non cohérence entre le trajet demandé au robot et le trajet réel. Il nous a fallu 1 jour et demi pour trouver le problème et cela à l'aide du professeur et à travers les mesures avec un oscilloscope sur les signaux de commande des moteurs et sur les bornes de chaque moteur. Nous avons constaté des surtensions, des perturbations aux bornes d'un moteur. Cela venait d'une diode dont la piste était coupée. Le défaut a été remédié et nous avons constaté le fonctionnement normal du robot.

Leçons à tirer: Vérification avec rigueur la continuité des toutes les pistes en 2 étapes:

  1. après la fabrication de la carte
  2. après avoir soudé tous les composants

De même se servir toujours de l'oscilloscope pour visualiser tous les signaux en temps réel.

Bibliographie/références