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IV/ Etude structurelle
F1 : Détecter les obstacles [HAUT DE PAGE]
Principe
La détection des obstacles n'est permise que par les capteurs, dans cette partie, une étude des différents capteurs est donc abordée afin de répondre au problème suivant : quels sont les types de capteurs nécessaires pour l'acquisition des informations en relation avec l'environnement ?
Les capteurs sont des composants de la chaîne d'acquisition dans une chaîne fonctionnelle.
Ils prélèvent une information sur le comportement de la partie opérative et la transforment en une information exploitable par la partie commande.
Une information est une grandeur abstraite qui précise un évènement particulier parmi un ensemble d'évènements possibles.
Pour pouvoir être traitée, cette information sera portée par un support physique (énergie), on parlera alors de signal .
On peut caractériser les capteurs selon deux critères :
• en fonction de la grandeur mesurée ; on parle alors de capteur de position, de température, de vitesse, de pression…
Dans le cas de notre TPE, le Cybot possède que 3 types de capteurs, des capteurs de proximité de types photoélectriques , mais aussi des capteurs inductifs (I.L.S.) , ainsi que des capteurs à ultrasons qui ont été retirés de notre maquette pour des raisons techniques : ces capteurs seront étudiés plus loin dans ce rapport.
En fonction du caractère de l' information délivrée ; on parle alors de capteurs logiques appelés aussi capteurs TOR (Tout Ou Rien), de capteurs analogiques (capteurs dont le signal de sortie est proportionnel à la variation de l'information d'entrée) et de capteurs numériques (les capteurs numériques font varier le signal « numérique » en sortie de façon discrète (par incrément).
Choix de capteurs
Etudions le graphique suivant ( fig. 100 ). On considère qu'un déplacement vertical correspond à une réponse « oui » et un déplacement horizontal une réponse « non ». Le « 0 » est l'objet, alors que le « D » est le détecteur.
(Fig. 100)
L'intérêt de ce schéma est de permettre une démarche générale de choix d'un détecteur, les principaux facteurs intervenant dans sa sélection sont :
• les conditions d'exploitation , caractérisées par la fréquence de manœuvre , la nature, la masse ainsi que la vitesse du mobile à contrôler
• la nature de l'ambiance : humide, poussiéreuse, corrosive, température…
• le nombre de cycles de manœuvre ,
• la nature du circuit électrique ,
le nombre et la nature des contacts
l'encombrement disponible pour loger et fixer le capteur…
Enfin, il est intéressant de mettre en avant certaines caractéristiques intervenant dans le choix de capteurs :
L'étendue de la mesure : c'est la différence entre le plus petit signal détecté et le plus grand perceptible sans risque de destruction pour le capteur.
La sensibilité : c'est la plus petite variation d'une grandeur physique que peut détecter un capteur.
La rapidité : c'est le temps de réaction d'un capteur entre la variation de la grandeur physique qu'il mesure et l'instant où l'information prise en compte par la partie commande.
La précision : c'est la capacité de répétition d'une information de position.
Capteurs Magnétiques
Le principal intérêt est de permettre de délimiter une zone à notre Cybot, utilise comme procédé la détection d'une variation d'un champ magnétique, en effet pour le TPE, l'utilisation d'I.L.S. a été requise, les principaux avantages de ces capteurs viennent du faible encombrement qu'ils génèrent mais aussi de leurs prix qui est très compétitif,
Principe de fonctionnement
Les capteurs magnétiques ILS ( Interrupteur à Lamelle Souple ) sont constitués de 2 lamelles souples inversement chargées qui se repoussent lorsqu'elles sont « au repos » c'est-à-dire lorsqu'elles ne sont soumises à aucun champs magnétique.
Lorsqu'elles sont sous l'influence d'un champ magnétique, les lamelles s'attirent provoquant la commutation du capteur et donc la fermeture du circuit qui crée ainsi un contact physique. L'I.L.S. peut être assimilé à un simple interrupteur. ( cf. fig. 101 )
Mise en œuvre
Le principal intérêt de l'utilisation de ce type de capteur est de permettre de délimiter une zone où le cybot ne doit pas pénétrer. L'intérêt se trouve dans son faible encombrement mais aussi dans son prix qui est très compétitif, c'est à dire de l'ordre d'1-2 €.
Pour travailler avec les I.L.S, un circuit de ce type peut-être utilisé : 
En sortie, si il y a détection, le signal renvoyé à l'unité de traitement sera un niveau logique bas, alors que si il n'y a pas détection, un niveau logique haut est renvoyé. Pour inverser les niveaux, une porte logique NON peut être utilisée et permet par la même occasion de rester compatible avec le microcontrôleur par exemple.
Dans le cadre du T.P.E, une configuration de ce type a été utilisée :
Capteurs photo- électriques
Dans les systèmes automatisés, une présence peut-être détectée, sans contact avec un objet ou une personne. L'objet peut d'ailleurs être relativement éloigné. les détecteurs de proximité photo électriques sont une bonne solution : ils détectent tous les types de matériaux.
 Principe de fonctionnement
Les détecteurs photoélectriques autrement appelé capteur opto-électrique, se composent essentiellement d'un émetteur de lumière associé à un récepteur photosensible. Ils sont schématisés de la manière suivante :
Emetteur et récepteur sont regroupés dans un même boitier. La portée dépend du pouvoir réfléchissant et de la dimension de l'objet. En l'absence de l'objet, le faisceau n'est pas renvoyé. En présence de l'objet, le faisceau est renvoyé : il y a alors détection. Les détecteurs comportent un dispositif de réglage de la sensibilité
Ce type de capteur est composé d'une photo-résistance, c'est à dire un semi-conducteur dont la résistance électrique varie fortement en fonction de l'éclairement auquel il est soumis. Lorsque l'éclairement augmente, la résistance diminue. Le semi-conducteur choisi est le sulfure de Cadmium (CdS). L'ensemble est enrobé dans un matériau transparent et étanche, afin d'éviter que l'humidité ambiante n'en perturbe la résistance.
Les capteurs de la famille GP2DXX, que le groupe a utilisé pour le projet, ont un fonctionnement un peu similaire mais particulier. Une impulsion lumineuse est envoyée dans l'air. Si elle est renvoyée par un obstacle dans un certain laps de temps donné, le faisceau parvient au récepteur formant un triangle. Le récepteur, donne l'information que l'objet est proche et renvoit un niveau logique correspondant. Dans la famille, d'autres capteurs mesurent l'angle formé par le capteur avec le faisceau, déterminant précisément la distance à l'objet. En sortie, le signal est donc analogique et doit être mis en forme, pour être traité
Mise en œuvre
Le Module Autonome est équipé de capteurs photo-électriques GP2D15, qui ont la particularité de posséder un seuil de détection situé aux alentours de 24 cm. En effet un état haut apparaît lorsque la distance est inférieure ou égale à 24 cm. Le GP2D15 à un seuil à hystérésis ( cf. figure )
 Voici le schéma de câblage de la famille des GP2DXX :
 Pour l'application sur le Module Autonome, le groupe a utilisé trois capteurs GP2D15 (face, gauche, et droite), sachant que le seuil de 24 cm est idéal au regard des dimensions du Cybot. Chaque sortie de capteur est « nivelée » par une résistance pull-up prévue de 12kOhms. La sortie, compatible avec les entrées CMOS du microprocesseur est directement exploitable. Le schéma équivalent de cette « portion » de circuit est disponible ci-dessous :
Capteurs ultrason
Un guidage par ultrason devrait être intégré à notre projet mais son utilisation aurait été trop longue à mettre en œuvre et aurait écarté le groupe de la fonction principale. En effet le signal d'un détecteur à ultrason a besoin d'être traité avant d'être exploitable. Cependant, une étude a été réalisée, car cette technologie est utilisée fréquemment, notamment sur des aspirateurs autonomes comme le Trilobit d'Electrolux.
L'avantage de l'onde ultrasonore est que sa fréquence est trop élevée pour être audible par l'être humain.
Concept et principe de fonctionnement
Système avec émetteur et récepteur dans le même boîtier :
L'émetteur et le récepteur sont situés dans le même boîtier. L'émetteur envoie un train d'ondes qui va se réfléchir sur l'objet à détecter et ensuite revenir à la source. Le temps mis (1 temps + 2 temps) pour parcourir un aller-retour permet de déterminer la distance de l'objet par rapport à la source. Plus l'objet sera loin plus il faudra de temps pour que le signal revienne.
L'émetteur envoi un train d'ondes et ensuite le capteur passe en mode réception et attends le retour du signal.
- Si un signal est de retour avant une durée D en ms, l'électronique du capteur détermine le temps que le signal à mis pour faire l'aller-retour et donne la distance à laquelle se situe l'objet détecté sous la forme d'un signal analogique.
- Si aucun signal ne revient après D ms, le capteur repasse en mode émission et renvoie une salve d'ondes.
La portée du détecteur dépend du temps qu'il reste en mode réception. Plus ce temps sera long, et plus les échos des obstacles éloignés auront la chance de revenir avant l'envoi de l'impulsion suivante. Un potentiomètre permet de régler la portée du détecteur. Ce réglage permet de modifier le temps pendant lequel le détecteur se trouve en mode de réception.
On crée des ultrasons grâce à l'effet piézo-électrique. Certains matériaux dont le quartz ont la propriété de vibrer quand on leur applique une tension (cet effet est réversible). Lorsque l'on alimente le détecteur, l'élément piézo-électrique se met à vibrer, ce qui a pour conséquence l'apparition d'une fréquence de l'ordre de 440 kHz. La vibration est transmisse à l'air ambiant grâce à la face avant du capteur qui est composé de céramique. On reconnaît donc le capteur ultrasonique grâce à la couleur blanche de sa tête.
Système d'émetteur récepteur séparé (Notre système) :
Ce système à l'avantage de permettre une fréquence de travail élevée. Pas de période d'attente pour la réception du signal émis.
Le capteur permet de détecter tout type de matériau sauf les objets absorbant les ondes sonores tel que la ouate, le feutre...
Le signal est transmis grâce à la présence de l'air, il faut donc éviter les courants d'air qui détourneraient le signal de leurs destinations.
Aucun fonctionnement possible dans le vide.
Le signal n'est pas influencé par la poussière et les environnements brumeux.
Il y a une zone que l'on appelle « zone morte » et qui correspond à la distance minimum que doit avoir l'objet à détecter par rapport au capteur pour que celui-ci fonctionne correctement.
Il faut éviter de détecter des objets dont l'angle d'inclinaison est trop grand car le signal risque de ne plus revenir, ce qui rendrait toute détection impossible.
F2 & F3 : Traiter l'information & Envoyer les ordres en conséquence [HAUT DE PAGE]
Logique micro programmée
La logique micro programmée est une technologie moderne présentant une grande série d'avantages, n'ayant que quelques inconvénients. Répandue dans le monde entier, elle présente une grande fiabilité, tant pour le support technique qu'elle offre que pour les applications que l'on peut en faire. La mise en œuvre est très simplifiée alors que les possibilités offertes sont décuplées.
Avantages et inconvénients
Prix
Comparé à l'utilisation d'une logique combinatoire, séquentielle (composants discrets), le prix d'un microcontrôleur est modique. En effet un projet utilisant des portes logiques revient à environ 20-30 € tandis que un microcontrôleur (PIC par exemple dans notre cas) coûte environ 6-8 € et peut descendre à 5-6 € pour une commande en gros.
Evolutivité
Le microcontrôleur est un composant réutilisable pour d'autres applications, ou bien peut être modifié pour évoluer un même projet. En revanche l'utilisation d'une autre technique est définitive, à moins de défaire tout le circuit électronique.
Encombrement
L'espace que nécessite un microcontrôleur est « ridicule » comparé aux circuits logiques ou encore aux automates programmables. En effet, l' encombrement est de l'ordre du centimètre cube pour un PIC de Microchip, alors qu'un automate tel que le TSX17 de Télémécanique comble un espace total supérieur au décimètre cube.
Par ailleurs, il convient aux applications dont la contrainte ‘encombrement' est indispensable. Non seulement il est petit , mais dispose d'une masse négligeable .
Apprentissage
L'apprentissage est à la fois un avantage et un inconvénient dans la logique micro programmée. La logique combinatoire ou séquentielle est un apprentissage moins conséquent et plus systématique dans un cursus scolaire et professionnel. De plus elle assure la continuité de l'apprentissage des lois de l'électricité.
En revanche, utiliser une logique micro programmée demande des connaissances plus approfondies, et plus exhaustives pour une utilisation optimale, et en même temps moins conventionnelles.
L'apprentissage est d'abord conceptuel , car il faut comprendre l'environnement d'un microcontrôleur. Ensuite, la programmation informatique doit être maîtrisée. Enfin, il faut savoir comment mettre en œuvre le circuit électronique environnant, donc des connaissances plus théoriques sont requises.
En même temps, l'étude du microcontrôleur est le meilleur moyen pour faire la passerelle entre informatique et électronique.
Popularité
La popularité actuelle des microcontrôleurs est un avantage majeur dans le choix de la logique à l'étape de conception. En effet, les microcontrôleurs étant si répandus, une communauté internationale existe (sur l'Internet notamment), et permet de faciliter l'accès à la logique micro programmée. Des forums de discussion, des supports techniques, des cours permettent au curieux comme au professionnel de facilement trouver toutes les réponses aux questions qu'il se pose.
Compatibilité
Les microcontrôleurs ont été développés comme tous les composants dans le but de s'adapter aux normes et technologies internationales à tous niveaux (CMOS, TTL …). En effet, du type d'information, en passant par le type d'énergie etc., le microcontrôleur s'adapte à toutes les contraintes imposées par les normes.
Principe de fonctionnement
Le microcontrôleur est un regroupement optimisé de plusieurs fonctions précises (mémoriser des informations, calculer, communiquer) calquée sur le fonctionnement humain. Il dispose d'une mémoire, de longue durée et de courte durée (R.O.M. et R.A.M) ; d'un cerveau (Microprocesseur) qui effectue des calculs mathématiques ; et d'interfaces permettant la communication avec l'environnement.
La mémoire
Il existe deux type de mémoires : la R.O.M. ( Read Only Memory) , et la R.A.M. ( Random Access Memory ). La différence principale réside en la durée de conservation des éléments (binaires).
La R.O.M. est une mémoire dont les informations perdurent indéfiniment alors que la R.A.M. est effacée dès lors que le circuit électronique n'est plus alimenté en énergie électrique.
Notons que les R.O.M. peuvent être de plusieurs types, suivant l'utilisation que l'on désire effectuer.
Par souci technique, le microcontrôleur choisi dispose d'une « mémoire morte » appelée E.E.P.R.O.M. ( Electrically Erasable Programmable R.O.M.) : elle peut être effacée par simple présence de courant électrique sur certaines broches du circuit à un moment donné.
La R.A.M., elle, permet de stocker temporairement des informations dont nécessite le microprocesseur.
Le microprocesseur
Le microprocesseur, par analogie à l'humain est assimilé au cerveau, en supposant que la mémoire est à part. Cette partie fait le lien entre les divers éléments du microcontrôleur. Il envoie des ordre, reçoit, traite, et renvoie des consignes ; enfin, il effectue des opérations mathématiques.
L' A.L.U. ( Arithmetic and Logic Unit ) est la zone où sont effectuées les opérations. Ces dernières, logiques sont réalisées entre deux opérandes, obtenus après leur placement dans deux accumulateurs.
Les informations transitent à travers le BUS de données (nappe de plusieurs fils électriques correspondant chacune à un bit logique).
Le microprocesseur, pour fonctionner a besoin d'être cadencé, un peu comme par un « cœur », par ce que l'on appelle l' horloge . Cette dernière est un signal carré dont la fréquence correspond à la vitesse d'exécution des ordres. L'application est réalisée avec un quartz de 4MHz.
Ce « cerveau », suit un ordre dans le déroulement des actions : il est dirigé par un programme informatique . Ce dernier est stocké dans une mémoire dédiée. L'enchaînement des action est réglé par l' Unité de Contrôle .
Cette dernière pilote les divers éléments du microprocesseur concernés par l'instruction, et ce, à l'aide du BUS de contrôle .
Enfin, notons que la mémoire est partagée en registres , eux-même divisés en mots binaires ayant chacun un contenu et une adresse particulière. L'adresse transite par le BUS d'adresses .
Interfaces
Le microcontrôleur a besoin de communiquer avec son environnement, pour obtenir des informations, et pouvoir soumettre des consignes. Il dispose donc d'interfaces pour rendre possible cette interaction. Les interfaces dans le cas du Module Autonome, sont principalement deux ports appelés parallèles . Sur un port parallèle, on considère que chaque broche, correspond à un bit logique. Le PORT A du PIC comporte 5 bits logiques, alors que le PORT B en dénombre 8.
C'est donc sur cette interface que la communication entre le « monde extérieur » et le microcontrôleur existe.
Mise en œuvre :
Choix d'un microcontrôleur
Le microcontrôleur, comme tout composant doit être choisi rigoureusement en fonction de l'application que l'on désire en faire. Ainsi, l'étude est très importante avant la pratique. De même, les entreprises perdraient de l'argent à mal dimensionner les composants, et à les vendre en quantité, si leur capacité n'était pas exploitée au maximum.
Pour l'aspirateur autonome, les caractéristiques principales sont la popularité du microcontrôleur, sa simplicité pour la mise en œuvre, et la compatibilité avec les technologies utilisées.
En effet, pour l'étude, la présence de documentation de qualité est d'une importance capitale, pour une familiarisation immédiate. La famille des PIC de Microchip est donc la première qui vienne à l'esprit. Le modèle choisi est le 16F84a (dérivé du 16F84), un des plus répandus.
Ensuite, ce microcontrôleur dispose du nombre de broches adéquat pour l'application : 4 broches paramétrées en sortie, et 5 autres en entrées (alors qu'il en dispose de 5 et 8, respectivement). Les broches sont logiques, c'est à dire qu'elles travaillent sur des niveaux logiques.
Puis, le courant consommé par un microcontrôleur étant minime, sa consommation d'énergie est importante mais n'est pas essentielle pour l'application.
Les caractéristiques suivantes sont importantes pour une application professionnelle d'envergure mais ne sont pas prises en ligne de compte pour le dimensionnement de la maquette.
- le type de mémoire R.O.M. et R.A.M. (notre R.O.M est une E.E.P.R.O.M. (expliqué plus haut))
- la taille de la mémoire (nombre de bits par nombre de mots) (1024x14 pour la R.O.M et 68octets pour la R.A.M du 16F84a)
- fréquence de l'horloge (la notre fait 4MHz, ce qui garantit une exécution de 1MIPS (Millions d'Instructions Par Seconde)).
 Réalisation d'un algorithme
Une fois que le microcontrôleur est choisi, et que l' étape de conception du circuit électronique est terminée , il faut créer le programme , qui régie l'ordre des tâches à effectuer par le circuit électronique, le « corps » du système. Mais réaliser un programme n'est pas aisé, et en imaginer un optimisé , clair , concis nécessite une conception préalable rigoureuse .
La création d'un algorithme correspondant au programme final est une étape essentielle. Il permet de prévoir tous les cas de figure, et permet ensuite d'être réutilisé dans le cas d'un changement de microcontrôleur, et donc dans certains cas de langage de programmation. Un algorithme c'est un enchaînement de tâches, directives , composées d'actions et décisions que le microprocesseur effectue de manière ordonnée.
Les décisions pour le Module Autonome se font en fonction de l'environnement du mobile, c'est à dire la détection d'obstacles ou non au niveau des capteurs. De plus, certaines décisions sont prises à partir de variables prédéfinies. En effet, le module va prévoir qu'après un virage à droite, il faudra en faire un à gauche s'il n'y a pas d'obstacles dans la trajectoire. ( cf. fig. 422 ). Dans la figure 422, on observe une flèche nommée « Interruption ». Cette séquence, expliquée figure 422a, représente la séquence activée pendant le virage , concernant la détection avec les capteurs magnétiques. En effet, même si la trajectoire du virage est correcte sur le plan vertical, rien de garantit qu'un escalier ne se trouve pas sur le chemin du mobile pendant la rotation. Pour y remédier, si pendant le déroulement normal du virage, la présence d'un escalier est ressentie, le virage est stoppé et le mobile amorce une marche arrière d'une demi-seconde avant de reprendre le cours normal du virage.
Une fois le schéma des figures 422 et 422a créé, il est nécessaire de le « convertir » en algorithme . Ce dernier possède une syntaxe universelle précise , tout en permettant de modéliser parfaitement la logique désirée ( cf. doc. Algorithme ). Ce type de représentation, doit être l'image exacte du programme final. Toutes les situations possibles ont été imaginées par l'algorigramme, il faut donc créer un algorithme concis image de la réalité finale.
(Fig. 422)
Voici les deux schémas représentatifs équivalents aux algorigrammes (ils ne respectent pas la normalisation de la schématisation) :
Codage de l'algorithme
Un algorithme clair, optimisé au maximum va permettre au concepteur, et au programmeur de gagner un temps précieux , pour la phase de programmation , ne laissant aucun doute, aucune ambiguïté sur le contenu du programme.
Le programme final, peut être codé avec plusieurs types de langages :
• les langages bas niveau ( notre cas avec l' Assembleur )
• les langages haut niveau ( par exemple C, C++, C#, Java, Pascal etc.).
Les langages bas niveau sont à la frontière entre l'humain et la machine . Le programmeur va taper des instructions directement traduites en langage machine ( lors de la compilation). Il est indispensable de connaître la machine pour coder avec ce type de langage, car chaque machine à son langage.
Les langages haut niveau ont été conçus pour l' humain . D'apparence plus graphiques , il permettent au programmeur de saisir des commandes universelles, dont chaque compilateur traduira pour le microcontrôleur désiré. L'avantage réside dans la facilité à écrire de long programmes. L'inconvénient est qu'il sont moins optimisés et plus volumineux en espace mémoire.
Le programme issu de l'algorithme, à destination du microcontrôleur PIC est codé en Assembleur ( cf. doc. Programme PIC Interet ). Le logiciel utilisé est issu de l'entreprise Microchip : c'est MPLAB IDE. Le logiciel permet de saisir le programme, de le compiler, de le simuler.
Cette phase n'est pas anodine, et la partie programmation proprement dite représente le début de la phase de codage.
En effet, la phase de programmation s'accompagne d'une phase de débogage, une phase de simulation avec logiciel de programmation, et logiciel électronique. Le logiciel MPLAB, lors de la compilation exprime les erreurs de syntaxe, mais ne mentionne pas les erreurs de logique de conception. Un bon algorithme au départ facilite donc la manœuvre, mais l'étape de conversion Algorithme/Code Assembleur et moins aisée.
Une fois le programme compilé correctement, le simulateur MPLAB permet de vérifier le bon déroulement du programme, qu'il n'y ait pas de « coquilles », de boucles infinies (répétition involontaire d'une même séquence à l'infini) etc..
Si la simulation est convenable, il faut utiliser un logiciel de simulation électronique. Ce type de simulation recrée virtuellement le circuit électronique final, et permet de tester les niveaux de tension, l'alimentation en courant. Elle permet de valider la logique de conception. Pour cela, le logiciel ISIS permet entre autres de créer un typon ( cf. réalisation ).
Choix des composants annexes au microprocesseur
Le choix de composants environnant lorsque le microcontrôleur est choisi, est assez simple, car il suffit de respecter les contraintes techniques imposées par ce dernier. Ces contraintes sont électroniques, en majorité.
L'intensité :
Le courant maximal à ne pas dépasser sur chaque broche programmée en entrée est fixé à 20-25mA environ. Cela garantit un courant maximal à fournir de 150mA pour le PORTB et 80mA pour le PORTA. De même, pour une broche paramétrée en sortie, le courant à débiter est compris entre les valeurs citées précédemment.
La tension :
La tension d'alimentation du PIC est comprise entre 0 et 7.5 V (broche V DD ). La tension au bornes de /MCLR doit être comprise entre 0 et 14 V.
Notons que la température influe sur les valeurs. Une application comme celle du Module Autonome ne peut prétendre prendre en compte ce type de valeurs, car la précision requise n'est pas essentielle.
Le type d'information émises et reçues :
Le PIC 16F84 ne travaille qu'avec des informations logiques. Par conséquent, les niveaux logiques envoyés par les sorties du microcontrôleur et les niveaux reçus, doivent se situer dans les valeurs de l'alimentation. En effet, un « un » logique vaut 5V pour une alimentation de V DD de 5V. Le PORTB met à disposition des résistances de PULL-UP activées par logiciel pour « forcer » les niveaux hauts.
Les technologies :
Le microcontrôleur est compatible, selon la référence avec les diverses familles technologiques (CMOS, TTL, etc.). Il faut donc choisir donc des portes logiques, des bascules, en conséquence, pour assurer la compatibilité optimale.
Par exemple, le PORTA du PIC possède des broches compatibles CMOS lorsqu'elles sont paramétrées en entrée et TTL, en sortie. En revanche le PORTB n'est compatible que TTL.
F4 : Convertir les ordres en actions mécaniques [HAUT DE PAGE]
Carte Moteur (étude)
Etude électronique
La carte moteur utilisée pour le prototype est déjà existante, comme l'indique notre cahier des charges. Celle-ci est extraite d'un kit à monter soi-même. Néanmoins, étant une partie importante de la maquette, une étude aussi exhaustive que possible s'avère essentielle.
Cette carte a été choisie pour de principales raisons :
• Le châssis contenant la carte moteur répond au cahier des charges du point de vue de la mobilité et de ses dimensions.
• Celle-ci contient des composants adaptables à notre logique micro programmée.
La carte électronique est le « cerveau » de la partie mobile de notre prototype. En effet, elle est composée de nombreux composants basiques contrôlant l'ensemble des mouvements autorisés par le mobile.
Le schéma électronique ( ci-dessous ) de notre carte moteur est composé de 2 ponts en H qui vont permettre d'inverser les sens de rotation des deux moteurs en fonction des différents ordres présents sur les entrées 1 à 4 de notre connecteur sept broches. Ces entrées font commuter les transistors composant ces ponts afin de choisir un sens de circulation du courant adapté au mouvement souhaité.
Les transistors sont différents : les référence et le schéma électronique nous indiquent qu'il y a des transistor NPN et PNP (les documentations techniques sont sur le site Internet). Il y en a trois différents sur les ponts en H : 2SA1300 / SS8050 / 2SC3279.
Pour que les moteurs fonctionnent, il est nécessaire que les broches reçoivent un niveau logique de 3,5 Volts minimum ; pour un fonctionnement optimal : du 5 Volt. Ces données sont nécessaires à la commutation des transistors.
Le connecteur de 4 broches assure :
• L'alimentation de la carte moteur en 9 V (fournie par une pile), elle est utile à l'alimentation des DEL qui informent l'utilisateur de la charge des piles, il permet aussi de nous avertir s'il y a un court-circuit dans le système. Cette alimentation en 9 V permet aussi d'alimenter le régulateur (le 78L05) qui transforme l'énergie d'entrée (9 V) en tension de sortie de 5 V qui se dirige vers le connecteur 7 broches.
• Une énergie de 6 V fournie par le Boîtier de 4 piles de 1.5 V : cette alimentation fait fonctionner les moteurs (suivant les états des transistors 2SA1300), et elle se dirige aussi vers le connecteur de 7 broches.
• La masse du circuit présente sur les deux connecteurs
Donc :
• Broche 1 : masse
• Broche 2 : masse
• Broche 3 : entrée 9 V
• Broche 4 : entrée 6 V
En résumé le connecteur de 7 broches fournit :
• Broche 1 : gauche avancer
• Broche 2 : gauche reculer
• Broche 3 : droite avancer
• Broche 4 : droite reculer
• Broche 5 : sortie 5 V
• Broche 6 : sortie 6 V
• Broche 7 : Masse
Voici à présent l'implantation des composants sur la carte moteur :
Etude mécanique
La maquette est pourvue de deux moteurs à courant continu de 3V optimal, mais la vitesse de rotation de l'arbre de sortie étant très supérieure au besoin que l'on peut avoir, un ensemble moto-réducteur à été mis en place. Connaissant les caractéristiques du moteur, et des réducteurs, il est donc facile d'obtenir la vitesse linéaire de chaque roue, alimentée en 5V continu.
Voici la démarche calculatoire :
 
D'après la loi d'entrée-sortie , nous permettant de calculer les vitesses en différents points du système, on a :
N1/N2=Z1/Z2
N1 : étant la fréquence d'entrée
N2 : étant la fréquence de sortie
Z1 : le nombre de dents en entrée
Z2 : le nombre de dents en sortie
On peut aussi retrouver W1/W2 = Z1/Z2
A partir de W = 2 p /60 N
W : vitesse angulaire N : fréquence
Ou même obtenir la vitesse linéaire : V = R * W
R : rayon
On a donc
N moteur = N1 = 7000tr/min
W1 = 733 rad/s
N2 = (N1*12)/48 = 1650tr/min
W2 = 183.26 rad/s
N3 = 1650tr/min
W3 = 183.26 rad/s
N4 = (N3*12)/48=437.5tr/min
W4 = 45.8 rad/s
N5 = 437.5tr/min
W5 = 45.8 rad/s
N6 = (N5*12)/48=109.375tr/min
W4 = 11.45 rad/s
Or d'après V = W * R roue
R roue = 5.4 cm
V=30.915cm/s
Il faut préciser que c'est une vitesse à vide. Après test, la vitesse linéaire réelle (avec un PTAC de 800 grammes et une alimentation d'environ 5 volts) est de 50 cm/s. C'est donc une vitesse acceptable pour une démonstration, néanmoins il sera peut-être nécessaire de réduire celle-ci pour un déplacement et une analyse de l'environnement plus détaillée.
Mouvement du mobile
 Il existe différentes possibilités pour faire tourner le mobile :
• Les 2 roues tournent en sens inverse
• Une seule roue tourne et l'autre reste immobile (rotation pivot)
• Les 2 roues ne tournent pas à la même vitesse
Néanmoins, cette solution n'a pas été retenue car il faudrait alimenter les moteurs
soit avec une tension variable ( impossibilité technique ) soit par impulsions (difficile à gérer).
Par impulsion, l'alimentation du moteur n'est non pas en continu, mais avec une série de niveaux. Plus la durée des pics de tension est élevée, plus la roue a une vitesse de rotation élevée.
Pour faire avancer le robot, il suffit de mettre les entrées 1 et 3 au niveau haut ( cf. schéma ci-dessus ), et pour reculer mettre les entrées 2 et 4 au niveau haut.
ATTENTION : Il ne faut jamais mettre les entrées 1 et 2 ou 3 et 4 au niveau haut en même temps car il y a un risque de griller les transistors de commande des moteurs.
Pour le faire tourner à droite il y a trois solutions :
• mettre l'entrée 2 au niveau haut
• mettre l'entrée 3 au niveau haut
• mettre les entrées 2 et 3 au niveau haut ( cette solution permet au robot de tourner sur son axe).
Pour le faire tourner à gauche :
• mettre l'entrée 1 au niveau haut
• mettre l'entrée 4 au niveau haut
• mettre les entrées 1 et 4 au niveau haut ( rotation sur son axe).
Pour essayer de mieux comprendre et d'approfondir notre analyse du système, on se propose d'étudier le comportement cinématique du mécanisme. Il est possible d'analyser le mouvement du mobile, c'est à dire son accélération, sa vitesse et sa position au cours du temps dans un virage.
- Comportement dans un virage :
Lors de la détection d'un obstacle, le module s'arrête puis entame sa manœuvre de virage (virage d'un demi tour : 33 cm). L'étude du comportement commencera au début de la manœuvre de correction de trajectoire :
Dans le virage le module subit une accélération, une accélération nulle (vitesse constante) puis une décélération : temps d'évacuation des charges électriques (celle-ci est rallongée du fait de l'inertie du module).
Les étapes transitoires ont de très petites durées compte tenu du rendement important, on a donc à faire à des accélérations très grandes.
D'après les équations du mouvement :
a=A 0
v=A 0 t+V 0
x=(1/2)A 0 t²+V 0 t+X 0
Phase 1 :
À t = 0
A 0 = ?
V 0 = 0 m.s¯¹
X 0 = 0 m
À t = 1
a 1 =A 0
v 1 =A 0 t 1 +V 0
x 1 =(1/2)A 0 t 1 ²+V 0 t 1 +X 0
à partir des résultats des équations à t = 0
a 1 =A 0
v 1 =A 0 t 1
x 1 =(1/2)A 0 t²
or on a A 0 = v 1 /t 1 donc x 1 =(1/2)v 1 t 1
on estime après test t 1 =0.03 s
v 1 =0.5 m.s¯¹
Donc a 1 =A 0 =16.67 m.s¯²
x 1 =0.0075m
Soit v=16.67t et x= (1/2)16.67t²
Phase 2 : Accélération nulle car vitesse constante
A t = 1
a 1 =0 m.s¯²
v 1 =0.5 m.s¯¹
x 1 =0.0075m
à t = 2
a 2 =0 m.s¯²
v 2 = v 1
x 2 = v 1 t 2 + x 1
à partir des résultats des équations à t = 1
t 2 =0.63s
Donc v 2 = v 1 = 0.5 m.s¯¹
x 2 = 32.25 cm
Soit v 2 = v 1 =0.5 m.s¯¹ et x 2 = (1/2)0.5t²
Phase 3 :
A t = 2
a 2 = ?
v 2 =0.5 m.s¯¹
x 2 = 32.25 cm
à t = 3
a 3 =A 2
v 3 =A 2 t 3 + V 2
x 3 =(1/2)A 2 t3 + V 2 t3 + X 2
t3 = 0.03 s
x 3 =33cm
v 3 = 0 m.s¯¹ car arrêt du mobile
A 2 =- V 2 /t 3 =-16.67 m.s¯² ce qui correspond à une décélération : signe « - »
Soit a 3 =A 2 =-16.67 m.s¯² v 3 =0m.s¯¹ et x 3 = -(1/2)16.67t²+ 32.25
Après cette analyse on peut déterminer l'accélération, la vitesse ou la position du robot dans un virage. Dans une ligne droite, entre deux détection, le mouvement est à peu près le même sauf que le temps où la vitesse est constante augmente.
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