PROJET ISN 2014 :

Voiture robot

Dossier de : Meraimi Isam

COEQUIPIERS :

- François Desprez

- Jérémy Tachel

SOMMAIRE

I- Présentation préliminaire

1. Présentation du cahier des charges

2. Présentation de la voiture robot

3. Choix des logiciels de simulation et

d’acquisition

II- Etude des capteurs

1. Identification des capteurs et étude de

leur modèle comportementale

2. Simulation du capteur de lumière LDR

3. Protocole de mesure pour vérifier les

performances des capteurs

III- Conception du banc de test

1. Conception du schéma du banc de test

2. Conception numérique du banc de test

Présentation du cahier des charges :

� THÈME SOCIÉTALE : Robotique

� ENJEU : Afin d'optimiser nos chances de remporter un concours de robotique, on

souhaite connaître et maitriser les performances d'un véhicule robot. Lors de ce

concours, notre robot devra être capable de s'orienter de façon autonome dans un

milieu inconnu. L'aspect esthétique ne devra pas être négligé c'est pourquoi la

conception d'une coque doit être prévue.

� PROBLÉMATIQUE : Comment connaître et maitriser les performances d'un véhicule

robot? Comment rendre ce véhicule robot esthétique ?

Diagramme pieuvre

Voiture Robot

FP1

FC2 FC1 Utilisateur

Traitement informatique

Concours robotique

FC3

Capteurs Energie

FC5

Esthétisme

FC6

Acquisition des grandeurs physiques

Obstacles à contourner

FONCTIONS DE SERVICE CRITERES NIVEAUX

FP1 Permettre à l'utilisateur de maitriser les performances du véhicule robot

Vitesse Maxi en marche avant et en

marche arrière Accélération / Deccélération Rayon de braquage

FC1 Se classer correctement Classement final Dans les 3 premiers FC2 Aucune intervention de l'utilisateur lors du déplacement du

véhicule Autonomie du véhicule Totale

FC3

Utiliser les capteurs présents sur le véhicule Capteurs infrarouge Distance mini et maxi Capteur sonore Intensité mini (dB) Capteur lumière Luxmètre angle

FC4 Utiliser un logiciel de programmation et un logiciel de simulation adapté

Réel Labview Arduino DecPic16 Flowcode

Simulé Matlab Scilab Sinusphy Avimeca FC5 Utiliser l'energie disponible: Tension et courant continues 7,2V - 2A

FC6

Avoir une forme pratique et un design esthétique fixation La plus simple possible Capteurs Ne pas altérer leurs

fonctionnements Accès à la conectique Sans démontage

FC7 S'adapter à une carte d'acquisition existante Carte d'acquisition NI-usb-6809 Arduino-uno PIC-18F456

FC8 Contourner les obstacles du parcours (challenge) Largeur - Longueur 40 cm - 50 cm

Nous avions donc pour but de répondre à ces fonctions en menant premièrement une étude

générale sur le fonctionnement de la voiture robot (repérage des différents composants,

capteurs, etc.).

PRÉSENTATION DES ÉLÉMENTS DE LA VOITURE ROBOT

La voiture robot peut donc effectuer plusieurs tâches grâce à ses différents composants.

Premièrement, la liaison avec l’ordinateur se fait avec un port USB. Nous avons aussi deux

boutons poussoirs réglables par l’utilisateur : nous pouvons choisir de faire jouer le buggy un

son lorsque nous cliquons sur l’un des boutons. Ce son sera joué grâce au haut-parleur. Il y a

en plus de ces boutons « basiques » une prise d’extension pour « E-Blocks ». En effet,

l’entreprise qui fabrique ces voitures robot propose différents blocks (écrans, détecteurs,

etc.) pour différents utilisations.

Puis il y a les différents capteurs qui sont inclus dans chacune de ces voitures robot : le

capteur de lumière, les 3 capteurs de distance, ainsi que le suiveur de ligne. J’expliquerai le

fonctionnement de ces capteurs plus bas.

Choix des logiciels de simulation et d’acquisition

Pour simuler les différents capteurs, le logiciel Proteus isis semble être tout à fait adapté. En

effet, grâce à sa bibliothèque d’éléments nous pouvons simuler différents types de

composants électriques. De plus, son utilisation reste assez simple et les résultats semblent

satisfaisants.

Nous pouvons aussi utiliser Matlab pour simuler (si nous avons besoin de tracer des

fonctions, etc.) car ce logiciel est aussi très complet et nous avons eu une première approche

avec pendant l’année scolaire.

Pour simuler le fonctionnement du buggy selon un certain algorithme, le logiciel Flowcode

est la solution idéale. En effet, il a été développé par matrix multimedia, même société qui

produit le buggy. De plus, le logiciel flowcode permet de simuler directement ce que ferait le

buggy s’il rencontrait un obstacle.

Identification des capteurs et étude de leur modèle

comportementale

Il y a 3 différents types de capteurs intégrés dans la voiture robot :

- Capteur de lumière

- Capteur de distance

- Suiveur de ligne

Capteur de lumière :

Le capteur de lumière est en faite une résistance. Sa résistance au courant est très élevée

lorsque le capteur n’est pas éclairé (allant jusqu’à 1 000 000 ohms). Il empêche donc le

courant de passer s’il n’y a pas d’éclairage. Lorsque nous l’éclairons, sa résistance diminue et

donc permet de laisser passer le courant. Il n’est pas précisé quel modèle de capteur est

utilisé sur la voiture robot donc nous prendrons un modèle quelconque pour l’étude du

capteur.

Voici l’allure de la courbe d’un tel capteur :

Capteur de distance :

Le capteur de distance est constitué de deux

composants : une diode émettrice et d’un

phototransistor.

Le fonctionnement est assez simple

l’œil nu). Ce dernier est réfléchi par l’obstacle et revient avec une certaine énergie (l’énergie

est inversement proportionnelle au carré de la distance, donc E = K

rayonnement réfléchi revient au phototransistor. Le phototransistor délivre par la suite un

courant électrique selon l’irradiance

distance qui la sépare de l’obstacle.

Diode émettrice :

Le buggy est fourni avec une diode émettrice TSAL5100. Elle émet avec une longueur d’onde

de 940 nm (infrarouge).

Phototransistor :

La référence du phototransistor est BPV11F. Il reçoit toutes les longueurs d’ondes comprises

entre 900 et 980 nm (infrarouge). Le courant qu’il délivre est proportionnel au rayonnement

lumineux qu’il absorbe comme on peut le voir d’après cette fonction

Le fonctionnement est assez simple : la diode émet un rayonnement infrarouge (invisible à

l’œil nu). Ce dernier est réfléchi par l’obstacle et revient avec une certaine énergie (l’énergie

est inversement proportionnelle au carré de la distance, donc E = K * (1/d²)). Ce

rayonnement réfléchi revient au phototransistor. Le phototransistor délivre par la suite un

l’irradiance qu’il a reçu et la voiture robot peut donc connaître la

distance qui la sépare de l’obstacle.

Le buggy est fourni avec une diode émettrice TSAL5100. Elle émet avec une longueur d’onde

La référence du phototransistor est BPV11F. Il reçoit toutes les longueurs d’ondes comprises

entre 900 et 980 nm (infrarouge). Le courant qu’il délivre est proportionnel au rayonnement

lumineux qu’il absorbe comme on peut le voir d’après cette fonction :

: la diode émet un rayonnement infrarouge (invisible à

l’œil nu). Ce dernier est réfléchi par l’obstacle et revient avec une certaine énergie (l’énergie

* (1/d²)). Ce

rayonnement réfléchi revient au phototransistor. Le phototransistor délivre par la suite un

qu’il a reçu et la voiture robot peut donc connaître la

Le buggy est fourni avec une diode émettrice TSAL5100. Elle émet avec une longueur d’onde

La référence du phototransistor est BPV11F. Il reçoit toutes les longueurs d’ondes comprises

entre 900 et 980 nm (infrarouge). Le courant qu’il délivre est proportionnel au rayonnement

Le phototransistor ne reçoit pas aussi bien l’éclairement lumineux selon l’angle que ce

dernier lui vient, mais il reçoit quand même sur un angle de 80°. Toutefois on peut estimer

qu’il reçoit toujours avec un angle compris entre 0 et 10° au vu du placement du

phototransistor.

Suiveur de ligne :

Le suiveur de ligne a un fonctionnement similaire au capteur de distance. Il y’en a deux en

bas de la voiture. La différence est que l’énergie lumineuse sera nulle (ou presque) lorsque la

radiation va rencontrer une ligne noir : elle ne va pas réfléchir, et lorsqu’elle va rencontrer

autre chose qu’une ligne noir ( => on sera dévié par rapport à la ligne à suivre), le

phototransistor va être « activé » et va donc envoyer un courant, qui sera le déclenchement

du processus de remise sur le bon chemin de la voiture.

Voilà deux schémas qui expliquent le principe de fonctionnement :

Ici nous voyons bien que le rayonnement

n’est pas réfléchi par la ligne noire :

le phototransistor ne reçoit rien et

la voiture robot ne doit du coup

pas modifier sa trajectoire

Lorsque la ligne n’est plus une ligne droite mais courbe, le capteur droit par exemple

n’enverra plus son rayonnement dessus, et la lumière va donc réfléchir et atteindre le

phototransistor : la voiture robot aura donc pour instruction de tourner du bon côté (ici vers

la gauche) pour faire en sorte que le phototransistor ne reçoive plus de rayonnement, c’est à

dire que les deux capteurs soient directement au dessus de la ligne noir.

Simulation du capteur de lumière LDR :

Grâce au logiciel proteus isis, nous pouvons simuler le fonctionnement du capteur lumière :

L’approchement de la lampe

signifie l’augmentation des lux.

Nous constatons que lorsqu’elle

est loin, les courant qui passe est

de 4,95 μA alors que lorsqu’elle est

proche, il passe à 476 μA. Il y a

donc bien variation de courant

selon l’éclairement lumineux.

Voilà le même schéma avec un autre type de LDR, cette fois ci avec les valeurs en lux et en

ampère

Lorsque nous récupérons les valeurs, nous obtenons une réponse linéaire pour ce type de

capteurs :

Protocole de mesure pour vérifier les performances des

capteurs

- Capteur de lumière :

Approcher une lumière (ex : lampe) vers le buggy et regarder au bout de quelle distance le

buggy repère cette lumière (en programmant une DEL pour s’allumer lorsque le LDR laisse

passer un certain courant).

- Capteur de distance

Tester si le capteur de distance détecte bien la distance normalement sur différents types de

murs

- avec un mur « normal »

- avec un mur coloré au feutre noir

- avec un miroir

- avec un obstacle qui est « incliné », voir si le rayonnement est quand même

réfléchi :

- Suiveur de ligne

Tester si le suiveur de ligne peut repérer une autre ligne qu’une ligne noire. Puis tester s’il

peut différencier une ligne rouge et un sol orange, par exemple.

Il faudrait aussi tester la vitesse du buggy.

Conception du schéma du banc de test

Grâce à un tel banc de test, nous pouvons facilement mesurer la vitesse de rotation, il suffit

de coller un codeur incrémental en face du cylindre qui tourne (il faut diviser le cylindre en 8

par exemple, puis colorier les parties en noir et blanc, l’un après l’autre. Il suffira par la suite

de savoir combien le codeur a détecté de changements de couleurs pour déduire combien il

y a eu de rotations de cylindre. Il suffit ensuite de diviser par le temps mis pour faire la

mesure et nous obtenons la vitesse.)

Conception numérique du banc de test

Voici le banc de test, effectué avec le logiciel SolidWorks :

Pour mesurer les performances du capteur distance, nous avons besoin d’une pièce qui fait

office de surface qui s’approche et recule. Nous pouvons donc utiliser une pièce qui translate

sur un axe et qui peut pivoter pour pouvoir la « cacher » lorsque nous n’avons pas besoin de

mesurer les performances du capteur de distance

Voilà la version numérique de cette pièce :

Bibliographie :

-Capteur de distance réferrence Emetteur : http://www.vishay.com/docs/81009/tsal6100.pdf Récepteur : http://www.vishay.com/docs/81505/bpv11f.pdf -Suiveur de ligne

http://www.vishay.com/docs/83760/tcrt5000.pdf -Capteur LDR (light dependant resistance)

http://www.technologystudent.com/elec1/ldr1.htm http://www.ac-nancy-metz.fr/pres-etab/loritz/pre_bac/ssi/cours/electronique/Optoelec/optoelec.htm

-Codeur incrémental http://sitelec.org/cours/abati/captvit.htm

-Irradiance http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89clairement_%C3%A9nerg%C3%A9tique