Châssis propulsion et direction choix des moteurs commande de puissance régulation et contrôle de la vitesse








télécharger 102.4 Kb.
titreChâssis propulsion et direction choix des moteurs commande de puissance régulation et contrôle de la vitesse
date de publication01.07.2017
taille102.4 Kb.
typeDocumentos
ar.21-bal.com > droit > Documentos

Robotique étude et réalisation d’une plateforme mobile

Objectif : Initiation à la robotique pratique, à l'aide d'une plate forme mobile. Problématique de la robotique mobile : localisation, navigation, technologies pour la puissance, capteurs, asservissements traitement des informations et transmission.

Architecture de la plateforme

motricité

châssis propulsion et direction
choix des moteurs
commande de puissance
régulation et contrôle de la vitesse


capteurs

tachymètre pour le contrôle de la vitesse
infrarouge et/ou ultrasons pour la détection d’obstacles


signalisation

leds, klaxon, messages

intelligence

distribuée, un ou plusieurs microprocesseurs et un PC

Communication

interne : PWM - SPI - I2C - Analogique – USB
distante : wifi


Problème de la navigation

obstacles, trajectoire
gps, compas, analyse d’image


Problème de l’autonomie

monitoring des batteries
recharge autonome



PC



USB

BLUETOOTH



USB



PROCESSEUR DE COMMUNICATION



PWM + DIR



ANALOG

DIGITAL







ANALOG






Synoptique

Tâches

Mécanique

Construction du CHASSIS, fixation des MOTEURS et démultiplication, ROUES
Support des circuits, du PC, réalisation du SCANNER RADAR, du PAN&TILT Web cam


Electronique

Conception des CARTES : PROCESSEUR de COMMUNICATION. , COMMANDE MOTEURS, TELEMETRE IR et US, COMPAS, Commande SERVOS.

Software

MICROCONTROLEURS, PC

1-CHASSI ET PROPULSION

Sources d’inspiration










Critères :

Stable, léger, rigide, simple à réaliser

Charge utile maximum à déterminer : portable + batteries + moteurs + divers


Estimation des caractéristiques des moteurs

Vitesse de pointe < 0.5m/s , et accélération maximum < 0.5m/s2

V = Pi*d*r V= vitesse en m/s, d =diamètre roues en mètre, r = Vitesse de rotation en tours/seconde

ex : roues de 10 cm et vitesse de 0.5m/s alors r = 95 t/min

F
=m*a F=force en newton, m= masse en kg, a= accélération en m/s2

ex : 5kg, force de démarrage = 2.5 N + frottements ( ? 1.5 N)
Avec 4 N et roues de 10 cm alors le couple est de
0.2 Nxm

P = C*w P = Puissance en Watts, C = Couple en Nxm, w = Vitesse de rotation en Radians/seconde

ex : 95 t/min = 10 rad/sec et P = 0.2 * 10 = 2W

Il y a 2 moteurs donc avec ses valeurs 1W par moteur devrait être suffisant.
Par sécurité : on visera 2W par moteur



Type de moteurs :


Moteurs DC, voltage, puissance, couple ?

Commande des moteurs :

Avant / arrière, réglage de vitesse par PWM.
Hbridge : Voltage max ? I max ?
P électrique > P mécanique (rendement estimation 50%)


Si P=4W et V=12V alors I=4/12 0.35A
Si V=5V alors I = 0.8A


Quel circuit ? Bipolaires (chauffe) ou MOSFET,
Discret avec 2 x 4 transistors ou CI (prix, dispo)
2 simples ou 1 double ?

24V 5A Dual H-Bridge 12v 2.8A Dual H-Bridge

Asservissement de la vitesse :

La commande de la vitesse est réalisée en PWM un processeur est utilisé pour la production des signaux et le contrôle de la vitesse réelle par une rétroaction d’une mesure tachymétrique par disque à ligne et led/capteur infrarouge.










2-TELEMETRIE

Ultrasons
40KHz, mesure du temps aller retour
Vitesse du son = 340 m/s
Un émetteur, un récepteur
Le signal du récepteur doit être amplifié, dans le schéma le gain est variable (max5467). Un max232 est utilisé pour élever la tension appliquée à l’émetteur ultrasons (24v)



Infrarouge
Sharp GP2D12
Donne une tension analogique fonction de la distance





Scan « radar »

Produire une « image » de l’environnement dans un diagramme polaire.
Pour cela faire tourner le capteur de distance autour d’un axe vertical et mesurer la distance pour chaque angle de rotation. Il y a besoin d’un moteur dont on connait la position angulaire.
On peut utiliser un servo de modélisme. Commande de position par largeur d’impulsion



Il n’est pas possible de faire un tour complet (fils), angle mort

3-NAVIGATION

Connaitre sa position, relative sur un plan ou absolue sur la terre.
Se déplacer vers un point donné (relatif ou absolu), en évitant les obstacles connus ou imprévus.
On ne peut pas faire confiance à la commande de vitesse/direction sur des distances importantes, ou après de nombreux arrêts/départs.

Position absolue: GPS mais pas assez précis (+/-20m), EGNOS ? (+/-1m)

Direction absolue: bousole
ex:
Magnetic Compass Philips KMZ51
magnetic field sensor

Autre solution: beacons (radios, IR)

Analyse d’images, webcam

Orientation de la webcam PAN-TILT , 2 servos

4-PROCESSEURS et COMMUNICATION

Liste exhaustive des signaux

Fonction

Direction

Mode

rem

PWM moteur 1

Out

Digital 5v pls




DIR moteur 1

Out

Digital 5v




Break moteur 1

Out

Digital 5v




PWM moteur 2

Out

Digital 5v pls




DIR moteur 2

Out

Digital 5v




Break moteur 2

Out

Digital 5v




Tacho pulse mot1

In

Digital 5v pls




Tacho pulse mot2

In

Digital 5v pls




US trigger

Out

Digital 5v pls




US echo

In

Digital 5v pls




IR distance

In

Analog 0-5V




Radar servo pulse

Out

Digital 5V pls




Arret urgence

In

Digital 5V

Actif bas

Batterie V

In

Analog




Batterie I

In

Analog

Besoin de convertir I en V

Webcam PAN pulse

Out

Digital 5V pls




Webcam TILT pulse

Out

Digital 5V pls




Divers (leds,klaxon) x 4

Out

Digital 5V




Compas

?

?




USB

In/out

Digital 5V

Sur UART, port série virtuel

on peut en ajouter, éclairemen, température










2 solutions

Un seul processeur gère tout les signaux et assure l’interface avec le PC

Avantage : 1 seule carte
Inconvénient : difficile à diviser entre plusieurs développeurs, il faut tout faire d’un coup.
Firmware complexe et fortement multitâches, temps réel.

Plusieurs processeurs se répartissent le travail

Processeur moteurs : PWM et tachymètre
Processeur télémètre : contrôle US, mesure AD IR, contrôle 1 servo scan
Processeur pan&tilt : contrôle 2 servos
Processeur de communication : USB PC et autres processeurs

Avantage : travail plus facile à répartir, diviser pour régner, construction incrémentale
Inconvénient : définir des protocoles de communications entre les modules

Compromis  : 3 processeurs

Le processeur central assure la communication PC USB et la gestion des signaux « simples » : leds et switches, monitoring batteries, Pan&Tilt. Il transmet les commandes PC vers les autres processeurs. Il doit être capable de réaliser des fonctions simples sans le PC : initialisation, test, détection d’événement critiques (arrêt urgence, I>max, self-test).

Le processeur moteurs réalise la boucle d’asservissement PID de la commande des 2 moteurs, génération PWM (timer) et mesure de la vitesse. Il reçoit ses commandes du processeur central selon un protocole à définir. (uni ou bi directionnel, retour vitesse ?)

Le processeur télémétrie contrôle le mouvement du scanner, crée la rafale d’ultrasons, réalise la mesure du temps de retour de l’écho et réalise la mesure du capteur IR. Il communique ces mesures et l’angle correspondant au processeur central. Il peut fonctionner en continu ou se positionner dans une direction demandée.

pwm,dir,break servo,trig



tachop echo,IR

pan,tilt,leds,alarm,… sw,batt,compas,…

5-ANALYSE DETAILLEE DES MODULES A REALISER

Circuits avec processeurs

MODULE PROCESSEUR CENTRAL (CP)

HARD

ATMEGA 168, 328 ou 64 ( 2 ports séries)
FTDI232
8 SORTIES, leds et divers
4 ENTREES, switches et divers
2 ENTREES A/D, mesure batterie
PORT DE COMMUNICATION VERS LES AUTRES MODULES (I2C ?)
Choix des connecteurs


Total >18 ES

SOFT

Définition des protocoles vers pc, vers MP et vers MT
choix du support physique (uart,I2C,SPI
), vitesse, format des messages (binaires, ascii), liste complète des messages.

Ex : commande : SET SPEED LEFT 20 -> 0F 01 00 20 ou bien ‘SPL=20’ rapport : TELEMETRE DATA IR=25 US=28 ALPHA=60 -> 0D 25 28 60

Gestion des servos Pan&Tilt -> timer
Gestion des leds d’état et des switces arrêt d’urgence et self test
Mesure du courant et de la tension de la batterie (2 A/D)
Initialisation : arrêt moteurs, télémètre à 0, …
Programme de self test : balayage scanner, avance et recule, demi-tour.
Gestion des modes d’urgence (collision, batterie à plat, Imax …)


MODULE PROCESSEUR MOTEUR (MM)


HARD

ATMEGA 48
3 SORTIES X 2
1 ENTREE X 2
1 ENTREES A/D X 2 (option mesure de courant)
PORT DE COMMUNICATION VERS LE MODULES CP (I2C ?)
2 ENTRE SWITCH SELT TEST et STOP


Total 14 ES

SOFT

Décodage des commandes
Génération des pulses PWM (timer)
Comptage des pulse tachymètre (timer) et calcul de la vitesse
Régulation de la vitesse (PID), Il faut réguler les 2 moteurs en même temps.
Switch STOP
Self test : accélérer en avant, ralentir, arrêt, idem arrière.
Option : mode contrôle de position.



MODULE PROCESSEUR TELEMETRE (MT)

HARD

ATMEGA 48
2 SORTIES, pulse servo et pulse ultrasons
1 ENTREE, ECHO
1 ENTREE A/D, mesure IR
1 ENTRE SWITCH SELT TEST/DEBUG
2 SORTIES, LED DEBUG
PORT DE COMMUNICATION VERS LE MODULES CP (I2C ?)


Total 9 ES

SOFT

Décodage des commandes
Génération des pulses ultrason (émission)
Comptage du temps de retour de l’écho
Mesure A/D de la valeur du capteur IR
Gestion de la position du servo de scan, timer.
3 Modes


pos : positionne le servo sur un angle donné par une commande et conserve cette position.

single : réalise un balayage aller retour.

auto : balayage aller retour en continu.

Définir comment les résultats son communiqués au PC.

Circuits sans processeurs

HBRIDGE

Choix du circuit et réalisation de la carte.
Source d’alimentation double, haut voltage (7 à 12V) pour les moteurs et
5V pour la partie digitale.


Liste des circuits envisagés




Imax

Vmax

Simple/
double





LM18200













LMD18245











































CAPTEURS IR TACHO et MISE EN FORME (2 X)

Choix du type de capteurs, led et phototransistor, cavalier de floppy ou capteur effet hall. Le circuit doit être concu pour s’adapter entre le chassis et la roue.
Alimentation unique 5V + GND donc 3 fils par circuit vont vers le module MP.


6-SOFTWARE PC

Le PC assure la conduite du robot

V1.0 La première version le fera opérer « en boucle ouverte », c'est-à-dire sans informations sur l’environnement et les déplacements réellement effectués.

On peut par exemple mettre les 2 moteurs en route avec une commande de vitesse de 30 cm/s pendant 5 sec. Puis arrêter et tourner à droite de 60°, repartir à 30cm/s pendant 5 sec, arrêter, tourner encore à droite de 60°, et repartir pour 5sec à 30cm/s.


Le chemin suivi devrait être ceci, un triangle de 1.5m de coté.


Si la commande de vitesse est parfaite, qu’elle tient compte de l’accélération et du freinage, qu’il n’y à aucun dérapage, que le robot roule parfaitement droit, que la rotation est précise et autour du centre, alors le résultat sera correct et nous reviendrons exactement au point de départ. Si ce n’est pas le cas nous n’arriverons pas exactement à l’endroit prévu. Cette erreur sera plus grande si le trajet est plus long.


Il devra être possible de définir une trajectoire sur le PC en la dessinant à la souri à l’aide de traits successifs. On aura la possibilité de
donner une vitesse pour toute la trajectoire ou pour chaque segment. Le Pc sera responsable de calculer les commandes de vitesse nécessaires pour effectuer une rotation. Il sera possible de sauver et reprendre des trajectoires et de les combiner.

Deux cas sont à envisager, le premier le plus simple, est celui-ci-dessus, un chemin est une ligne brisé, succession de ligne droite, arrêt, rotation sur place, ligne droite …


Les 2 moteurs ont toujours la même vitesse V dans les lignes droites et des vitesses égales mais de signes opposés V- et V+ pour tourner sur place. C’est la duré pendant laquelle on applique ces 2 vitesses qui déterminera l’angle de rotation.


Le deuxièmes cas permet la création de courbes continues, dans ce cas c’est la différence de vitesse entre les 2 moteurs qui impose une déviation par rapport à la ligne droite.

Du point de vue mathématique, la différence de vitesse entre les moteurs sera à partir de l’écart entre la courbe et sa tangente (la courbure)






La longueur du trait rouge est proportionnelle à la différence de vitesse à appliquer entre les moteurs, si le trait est à gauche de la courbe, c’est le moteur gauche qui tourne plus vite, si il est à droite, c’est le contraire.

Si D est la longueur du trait rouge et V la vitesse désirée en ligne droite alors,

Vgauche = V – D/2 et Vdroite= V + D/2.

Dans les 2 cas la trajectoire sera représentée et sauvé comme une suite de coordonnées cartésiennes X et Y,(tableau ou liste) l’origine 0,0 sera le point de départ du robot.
Les courbes sont en réalité des lignes brisées mais avec beaucoup de points.
L’échelle sera en cm.

Le programme permettra de dessiner des trajectoires à la souri et de les éditer (supprimer un point, ajouter un point) de manière interactive. Il devrait aussi être possible de dessiner des lignes ne faisant pas partie de la trajectoire représentant les murs.

Le programme aura donc 2 parties


  • Création, édition, sauvegarde et chargement des trajectoires + murs

  • Chargement et exécution d’une trajectoire, dans cette partie du programme la trajectoire sera transmise point après point par le port USB vers le module CP qui assure lui le transfert vers le module MM. Attention le PC doit envoyer chaque commande de vitesse à un instant précis il devra utiliser un timer pour cela.
    Si on doit faire du 30cm/s pendant 5sec, la commande départ 30cm/s doit être envoyée, puis la commande arrêt doit être envoyé exactement 5 sec après.

    Un mode « manuel » doit être prévu, commande de la vitesse par 2 sliders, un pour la vitesse (V) et un autre pour la différence de vitesse (DV). Vg=V+DV et Vd=V-DV


Autres fonction à réaliser sur le PC

Les trajectoires devraient pouvoir être envoyées par le wifi

Le mode manuel et le démarrage, l’arrêt et le choix d’une trajectoire devrait pouvoir être réalisés à distance (bureau à distance ou client dédicacé ou web interface)

La commande du Pan&Tilt de la web cam se fait en manuel avec 2 sliders ou avec les mouvements de la souri. Cette fonction doit aussi être disponible par le wifi.

Affichage de toutes les données disponibles avec un rafraichissement périodique (~1s)

Voltage batterie (V avec 1 décimale)
Courant batterie (mA)
Distance télémètre IR (cm)
Distance télémètre Ultrasons (cm)
Angle télémètre ( - degrés 0 + degrés )
Vitesse et direction moteur1
Vitesse et direction moteur2
Cap compas (Angle 0-360, 0 = nord)
Arrêt d’urgence


Une fenêtre doit représenter le graphique polaire des données du télémètre (Radar).

La web cam doit pouvoir être visible sur le réseau .

Il doit être possible de définir une distance minimum qui provoque l’arrêt devant un obstacle.

V2.0

La deuxième version du software PC sera plus évoluée et permettra au robot de devenir autonome.

Contrôle de la position réelle (compas, beacons, images…) et corrections de trajectoires.


Calcul de la trajectoire pour atteindre un point dans un parcours avec des obstacles.


Réaction par rapport aux obstacles imprévus, arrêt et tentative de contournement.


Rejoindre une station de rechargement des batteries.


7-DIVERS

Il s’agit d’un projet complexe, pas parce qu’il est difficile mais parce qu’il fait intervenir de nombreux éléments, des technologies diverses et plusieurs personnes.

Pour mener à bien un tel projet, il est important d’utiliser une bonne méthodologie. Entre autre réaliser une description précise et détaillée des tâches, des fonctions et des caractéristiques des circuits et des programmes. Mais surtout élaborer un planning qui montre ce qu’il y a à faire, par qui et quand. Diviser le travail n’est pas suffisant, tous les éléments sont à la fin interdépendants. Chacun aura un moment donné besoin du travail des autres pour avancer dans son propre travail. Il est donc important d’étudier ces relations et d’en déduire le meilleur enchainement pour les différents travaux.

Par exemple, difficile d’écrire le soft du module MM sans avoir réalisé la carte. Difficile de réaliser la carte sans avoir les composants. Difficile de réaliser le soft du PC sans un module CP pour communiquer etc…

Ce n’est pas totalement exact, il est possible d’écrire une partie des softwares sans disposer du matériel, ce qui est difficile c’est de tester. Il est aussi possible de dessiner et tirer des cartes sans avoir les composants.

La définition du protocole de communication, des messages, des commandes et des informations de statut est une des tâches qu’il faut réaliser avant les d’autres. Les réalisations mécaniques sont les plus incertaines et doivent également être abordées en priorité. Choix du châssis et des moteurs et construction.

Le télémètre est indépendant du châssis et des moteurs. Mais le choix du protocole physique de communication doit être fait pour réaliser la carte. Il est plus complexe que les autres modules car il comporte une partie analogique à développer, ainsi qu’un peu de mécanique pour la rotation.

La commande des moteurs nécessite aussi d’avoir défini le mode de communication pour être réalisée, ensuite le circuit hbridge et le capteur de tours sont indispensables pour attaquer le firmware. N’importe quel moteur peut convenir pour les premiers essais.

Le module CP,comme les autres à besoin de la définition de la communication pour pouvoir être réalisé, ensuite, on peut réaliser le software de mesure de la batterie, le pan&tilt sans avoir besoin d’autres éléments. Un soft PC « de test » est suffisant pour vérifier la communication USB avec le module, les mesures de la batterie et la commande du pan&tilt.

Enfin, le soft PC pour sa partie dessin et édition de trajectoires, est indépendant des autres éléments, de même pour le panneau de contrôle qui peut être conçu avec des valeurs à afficher simulées.
Au travail !








similaire:

Châssis propulsion et direction choix des moteurs commande de puissance régulation et contrôle de la vitesse iconTrois nouveaux moteurs Eco3 pour le Silverado et le Sierra
Tous ces moteurs ont la puissance et le couple nécessaires pour effectuer en toute confiance des tâches difficiles, et ils passent...

Châssis propulsion et direction choix des moteurs commande de puissance régulation et contrôle de la vitesse iconLa nouvelle génération de moteurs V6 biturbo de 3,0 L de Cadillac
«En fait, la puissance de couple à tous les régimes ne coïncide que si la puissance créée à ces régimes augmente rapidement à 6 500...

Châssis propulsion et direction choix des moteurs commande de puissance régulation et contrôle de la vitesse iconDes technologies de pointe améliorent le rendement énergétique du Tahoe et du Suburban 2015
«La capacité du moteur de passer instantanément en mode quatre cylindres, par exemple, améliore le rendement énergétique lorsque...

Châssis propulsion et direction choix des moteurs commande de puissance régulation et contrôle de la vitesse iconDirection des Finances et de la Commande Publique

Châssis propulsion et direction choix des moteurs commande de puissance régulation et contrôle de la vitesse iconCahier de charges : Tableau Basse Tension de Distribution Puissance / Contrôle Moteur

Châssis propulsion et direction choix des moteurs commande de puissance régulation et contrôle de la vitesse iconPremière mondiale: l'électronique châssis intégrée de la nouvelle Astra
«SportSwitch» pour basculer sur le mode sport proposé en option, les lois de la direction changent pour une réponse plus directe

Châssis propulsion et direction choix des moteurs commande de puissance régulation et contrôle de la vitesse iconNotice développée conjointement par le Conseil national de l’Ordre...

Châssis propulsion et direction choix des moteurs commande de puissance régulation et contrôle de la vitesse iconFocus n°2 : 4 conferences dediees a la montee en puissance des amplificateurs
«Dernières avancées des techniques d’Envelope Tracking pour les applications de télécommunications de forte puissance»

Châssis propulsion et direction choix des moteurs commande de puissance régulation et contrôle de la vitesse iconAssistante de direction generale
«Management en pme» qualité, rh, contrôle de gestion, achats au crp consulting balma

Châssis propulsion et direction choix des moteurs commande de puissance régulation et contrôle de la vitesse iconAttribution de la commande de matériel électronique d’Eurotunnel à microsens
«Pour microsens et euromicron, cette commande représente une excellente opportunité d’affirmer la capacité du groupe à apporter des...








Tous droits réservés. Copyright © 2016
contacts
ar.21-bal.com