Bal des pendules

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Transcript of Bal des pendules

  • fi 2 1er mars 2005 page 1

    Prochaines parutions dlai rdaction parution 3 17.03.05 05.04.05 4 07.04.05 26.04.05 5 12.05.05 31.05.05 6. 09.06.05 28.06.05

    Sommaire FI 2/20051 Bal desPendules

    Francois Roulet2 DIT-info3 Contrle daccs

    Daniel Grandjean@9 Sysquake 3

    Yves Piguet12 Indico, un logiciel de pointe

    pour la gestion de confrencesDavid Bourillot & Jean-Yves Le Meur

    15 IM2.DI, intgration de documents dans des archives multimdias de runionsDenis Lalanne, Rolf Ingold, Didier von Rotz

    18 Smart Multimedia Archive for Conferences (S.M.A.C.)Omar Abou Khaled, Rudolf Scheurer, Denis Lalanne, Rolf Ingold & Jean-Yves Le Meur

    21 Le mode Document Matre dans WordJacqueline Frey

    23 Programme des cours26 Prenez le large avec Firefox

    Olivier Burri27 Solaris 10 les nouvelles fonc-

    tionnalits majeuresPascal Fabbri

    suite en page 6

    Bal des Pendules

    Francois.Roulet@epfl.ch, Domaine IT

    Introduction

    Peut-tre avez-vous re-marqu les allers et venues sur le site EPFL dun sur-prenant vhicule lectrique deux roues parallles et coaxiales?

    Il sagit du fameux Segway, engin rvolution-naire de par sa conception, son aptitude tourner sur place, et dont la surface occupe au sol nexcde que lgrement celle dun piton.

    Ceci en fait le vhicule le plus maniable qui puisse exister, pouvant circuler aussi aisment lintrieur dun btiment qu lext-rieur, notamment grce sa facult deffectuer une rotation sur lui-mme. Il redfinit la relation homme-machine, en formant en quelque sorte une prolongation du corps humain, puisque pour amorcer une translation, il suffit dexercer une pression vers lavant, soit sur le guidon, soit avec la pointe des pieds, pour que le Segway prenne aussitt de la vitesse. Trs rapidement, cela devient un rflexe parfaitement naturel, la manire du dclenchement dun virage ski par pression sur une des carres.

    Historique

    Alors que le Segway, nom de code Ginger, a t prsent en premire mondiale le 3 dcembre 2001, il faut rappeler que lide dun tel vhicule avait germ en 1996 dj, au labora-toire dElectronique Industrielle de lEPFL. Aprs une tude thorique en

    mailto:Francois.Roulet@epfl.ch

  • fi 2 1er mars 2005 page 6

    dmontrant la faisabilit, qui a conduit une thse, suivie du processus de dvelop-pement, le robot miniature J-le-Pendule accomplissait ses premires volutions le 25 janvier 2000. (Voir Flash EPFL du 15 fvrier 2000, page 10)

    Ce dveloppement est directement inspir du clbre modle acadmique du pendule invers, qui comme son nom lindique, est constitu dun chariot mobile surmont dun pendule invers, librement articul autour dun axe transversal. Avec la diffrence pour les vhicules prsents, que le chariot et le pendule ne font quun, larti-culation tant elle-mme laxe des roues.

    Ses deux roues tant parallles et coaxiales, lengin est par nature instable, contrairement un vlo qui bnficie de leffet gyroscopique de ses roues colinaires. Pour parvenir son quilibre, seul un rgulateur lectronique peut artificiellement stabiliser cette plate-forme, en agissant directement sur les moteurs de propulsion, exerant toujours un couple de redressement oppos au sens de basculement.

    Chaque roue est motorise indpendamment de lautre, offrant le contrle de lacet par diffrentiation, voire inversion, du rgime de rotation.

    Fonctionnement

    Le Segway pourrait tre qualifi de vhicule bio-inspir, puisquil gre sa verticalit de la mme manire quun humain gre sa propre posture.

    En effet, pour dceler toute perte dquilibre, donc de verticalit, notre cerveau est inform par linclinaison du niveau du liquide contenu dans les canaux semi-circulaires de notre oreille interne.

    Le chssis du Segway tant en quilibre autour de laxe de ses roues, et ces dernires devant pouvoir tourner ind-pendamment de lui, il faut imprativement disposer dune plate-forme inertielle pour connatre son inclinaison par rapport la verticale.

    Cette plate-forme inertielle est compose de 3 gyroscopes semi-conducteurs, de type verre vin rsonnant, disposs triangulairement, fonctionnant selon leffet Coriolis. Un

    anneau de silicium monocristallin de 6 mm de diamtre est maintenu en rsonance 15 kHz par excitation lectromagntique, et toute variation angulaire de son cadre tendra dcaler dautant les axes des nuds de vibration. Llectronique interne au senseur, travaillant en boucle ferme, sefforcera de maintenir laxe de vibration initial, et, la tension ncessaire pour contrecarrer cette force de Coriolis indiquera la vitesse an-gulaire. Le signal de sortie est une tension proportionnelle la vitesse angulaire.

    Initialement, lors de la mise sous tension du vhicule, langle relatif la verticale de la plate-forme est calibr par une paire din-clinomtres niveau liquide. Cest aussi par leur indication que le contrleur peut refuser dactiver lquilibrage lectronique si lincli-naison de dpart savrait trop importante pour tre contrlable.

    Afin de tenir compte de lexprience du conducteur et de lenvironnement, le constructeur a prvu 3 cls de contact diffrentes, chacune activant une programmation spcifique, imprimant au systme un temprament appropri (quation caractristique du systme): cl Apprentissage noire: vitesse maximale: 10 km/h,

    virages trs lents; cl Piton jaune: vitesse maximale: 13 km/h, virages

    rapides; cl Espaces ouverts rouge: vitesse maximale: 20 km/h,

    ractivit maximale.

    Pour quilibrer le systme, le rgulateur sappuie sur la mesure des 4 tats suivants:1 la vitesse angulaire d/dt, fournie par le gyroscope;2 langle dinclinaison par rapport la verticale, intgra-

    tion de la vitesse angulaire;3 la position horizontale x, dduite de la diffrence entre

    la position donne par lencodeur incrmental de chaque axe moteur-roue avec langle dinclinaison mesur par le gyroscope;

    4 la vitesse horizontale dx/dt, drive de la position.Chacune de ces grandeurs est pondre par un cfficient,

    puis elles sont additionnes pour dterminer la valeur du couple appliquer par les moteurs afin dassurer la stabilit du systme. Le processeur de signal effectue cette opration la frquence de 100 Hz.

    Bal des pendules

    Suite de la premire page

    Joe-le-pendule

    Plate-forme intertielle du Segway

  • fi 2 1er mars 2005 page 7

    RemarqueLes gyroscopes semi-conducteurs nont absolument

    aucune influence mcanique sur le vhicule, leur fonction tant uniquement de fournir une indication de la variation angulaire de la plate-forme. Seuls les moteurs assurent lqui-libre de lensemble.

    Schma du traitement des signaux de Joe

    Schma du rgulateur de Joe

    Diffrence entre Joe et le Segway

    Lquilibre des deux plates-formes est similairement as-sur par leurs rgulateurs embarqus. Ce qui les distingue, cest que J est pilot par lentremise dune tlcommande, qui lui dicte sa vitesse de translation ainsi que sa vitesse de virage, alors que la vitesse de translation du Segway est impo-se par la posture de son pilote. Seul le contrle de lacet est identique, dtermin pour le Segway par une bague rotative sur le guidon. Pour les deux vhicules, la diffrentiation de rgime de rotation des roues est inversement proportionnelle la vitesse de translation, prvenant ainsi le risque tte queue impromptu.

    Compte tenu de son rapport hauteur/largeur, le Segway exige du pilote de se pencher vers lintrieur du virage, tel un pilote de side-car, pour contrecarrer le risque de tonneau provoqu par la force centrifuge.

    Il suffit dexercer une pression vers lavant, soit sur le guidon, soit avec la pointe des pieds, pour que le Segway prenne aussitt de la vitesse.

    Pour adopter ce comportement, le rgulateur du Segway, contrairement celui de J, ne prend pas en compte la

    mesure de la position horizontale. Il en dcoule que tout dsquilibre entrane automatiquement une vitesse de translation proportionnelle au couple perturbateur, cest--dire, la force exerce sur le guidon, comme le montre le diagramme 2 ci-aprs.

    Simulations

    Une perturbation rampe de vitesse est applique lentre du rgulateur de J.

    Sur le diagramme 1, nous observons quavant dexcuter une marche en avant, J est contraint de pralablement recu-ler afin dincliner le pendule dans la direction de translation, autorisant ensuite le dploiement dun couple acclrateur. Aprs 1.5 seconde, la consigne est maintenue la valeur de 1.5 m/s, et nous observons un dpassement de vitesse pour redresser le robot. Au bout de 4.5 secondes, la consigne de vitesse diminue, provoquant dabord une survitesse du robot, ncessaire son basculement vers larrire, prrequis pour amorcer une dclration. Lexcursion se termine par une brve marche arrire non dsire, mais ncessaire la phase de stabilisation finale.

    diagramme 1 Simulation de Joe avec le logiciel Sysquake, units mksA

    Une perturbation rampe de couple est applique au Segway, sous la forme dune pression sur le guidon dans le sens de marche dsir, qui provoque une translation.

    Sur le diagramme 2, nous observons que la vitesse de translation est proportionnelle la force exerce sur le guidon, et quune fois atteinte, la plate-forme se restabilise verticale-ment. Par nature, le comportement du Segway est nettement plus doux et amorti que celui de J, ceci sexpliquant par lendroit dans la chane rgulateur-systme o la perturbation est introduite. Pour J, nous introduisons la perturbation lentre du rgulateur, qui la rpercute directement sur les moteurs, alors que pour le Segway, nous lappliquons au systme mcanique, qui lui-mme agira en filtre passe-bas avant de la propager sur lentre du rgulateur.

    diagramme 2 Simulation du Segway avec le logiciel Sysquake, donnes mcaniques de Joe, units mksA

    Bal des pendules

  • fi 2 1er mars 2005 page 8

    Scurit

    Afin de garantir la scurit du conducteur,