CONCEPTION D’UNE CONCEPTION D’UNE NOUVELLE ARCHITECTURENOUVELLE ARCHITECTURE

POUR ROBOT MOBILEPOUR ROBOT MOBILE

TER 2004 – 130

Romain CUVILLIER HEI 5 IIRomain ROSTAGNO HEI 5 GE

SOMMAIRE DE LA SOMMAIRE DE LA PRESENTATIONPRESENTATION

Introduction à la coupe de robotiqueIntroduction à la coupe de robotique État des recherches en 2003État des recherches en 2003 Besoins et cahier des chargesBesoins et cahier des charges Conception de l’architectureConception de l’architecture Asservissement en logique floueAsservissement en logique floue BilanBilan

Coupe de France de robotiqueCoupe de France de robotique

Compétition amicale qui rassemble Compétition amicale qui rassemble chaque année près de 200 équipeschaque année près de 200 équipes

Son but :Son but : faire concourir 2 robots faire concourir 2 robots autonomes sur une aire de jeu, autour autonomes sur une aire de jeu, autour d’un thème précisd’un thème précis

La commission SYSTEO y participe pour La commission SYSTEO y participe pour la 9ème annéela 9ème année

LE ROBOTLE ROBOT

Le robot est un système mécanique et Le robot est un système mécanique et électronique, géré informatiquementélectronique, géré informatiquement

Il comporte des capteurs qui le Il comporte des capteurs qui le renseignent sur son environnementrenseignent sur son environnement

Il pilote des actionneurs afin de se Il pilote des actionneurs afin de se déplacer et d’exécuter des actions de jeu.déplacer et d’exécuter des actions de jeu.

STRUCTURE ACTUELLE DU STRUCTURE ACTUELLE DU ROBOTROBOT

M

M

Carte µC 8051+

GAL (décodage des roues codeuses)

CARTE MEREPC 104

Asservissement+

Stratégie+

Communication+

Caméra

Carte µC 8051

E/S capteurs et

actionneurs

actionneurs

capteurs

Opto-coupleurs+

variateursCarte

d’acquisition

caméra

ETAT ACTUEL DU SYSTEMEETAT ACTUEL DU SYSTEME

AVANTAGESAVANTAGES

Architecture Architecture complètement complètement fonctionnellefonctionnelle

Principe de Principe de l’asservissement maîtrisél’asservissement maîtrisé

Souplesse d’utilisationSouplesse d’utilisation Technologie bien Technologie bien

dimensionnée pour les dimensionnée pour les besoins de besoins de l’asservissementl’asservissement

INCONVENIENTSINCONVENIENTS

Encombrement important Encombrement important au sein du robotau sein du robot

Consommation Consommation énergétique élevéeénergétique élevée

Sensibilité aux Sensibilité aux interférencesinterférences

NOUVEAUX BESOINSNOUVEAUX BESOINS

Simplifier la chaîne électronique pour gagner en Simplifier la chaîne électronique pour gagner en fiabilitéfiabilité

Prendre des mesures en matière de protection Prendre des mesures en matière de protection aux rayonnements électromagnétiquesaux rayonnements électromagnétiques

Mieux organiser l’aspect logicielMieux organiser l’aspect logiciel Réduire l’encombrement de l’architectureRéduire l’encombrement de l’architecture Diminuer les consommations électriquesDiminuer les consommations électriques

CAHIER DES CHARGESCAHIER DES CHARGES

Création d’une architecture simplifiée plus souple, moins Création d’une architecture simplifiée plus souple, moins encombrante et plus robuste :encombrante et plus robuste :

- automate programmableautomate programmable- MicrocontrôleurMicrocontrôleur- PC104PC104

Réutilisation de l’asservissement en logique floue.Réutilisation de l’asservissement en logique floue. Gérer les codeurs incrémentaux simplement.Gérer les codeurs incrémentaux simplement. Ecrire une application bien structurée.Ecrire une application bien structurée. Réaliser une plate-forme de tests à l’aide du robot 2003.Réaliser une plate-forme de tests à l’aide du robot 2003. Créer des outils informatiques qui aideront à finaliser Créer des outils informatiques qui aideront à finaliser

l’architecture.l’architecture.

LES AUTOMATES PROGRAMMABLESLES AUTOMATES PROGRAMMABLES

AVANTAGES INCONVENIENTS

Langage formel et simple Langage formel et simple (grafcet, ladder) transparent (grafcet, ladder) transparent pour l’utilisateurpour l’utilisateur

Grande rapidité de calculGrande rapidité de calcul

ModulablesModulables

Entrées-sorties directesEntrées-sorties directes

Robuste de tous points de vueRobuste de tous points de vue

Intégration directe dans le robotIntégration directe dans le robot

Langage parfois inadapté pour Langage parfois inadapté pour des problèmes complexesdes problèmes complexes

Gourmand en énergieGourmand en énergie

EncombrantsEncombrants

Pas de sorties évoluées Pas de sorties évoluées d’origine (obligation d’ajouter d’origine (obligation d’ajouter des modules)des modules)

Prix en baisse mais élevésPrix en baisse mais élevés

LES CARTES PC104LES CARTES PC104

AVANTAGES INCONVENIENTS

Architecture commune aux Architecture commune aux micro-ordinateursmicro-ordinateurs

Pratiques et autonomes Pratiques et autonomes (périphériques standards, (périphériques standards, écran, souris, claviers)écran, souris, claviers)

Grande rapidité de calculGrande rapidité de calcul

Programmation dans tous les Programmation dans tous les langageslangages

Très peu d’E/S (2 ports série, 1 Très peu d’E/S (2 ports série, 1 parallèle)parallèle)

Longues périodes Longues périodes d’initialisation du système d’initialisation du système d’exploitation (30 secondes)d’exploitation (30 secondes)

Forte consommation électriqueForte consommation électrique

Encombrantes et fragilesEncombrantes et fragiles

Prix très élevés (1500 €)Prix très élevés (1500 €)

LES MICROCONTRÔLEURSLES MICROCONTRÔLEURSAVANTAGES INCONVENIENTS

Multiples langages de Multiples langages de programmationprogrammation

Grandes compacitésGrandes compacités

Faible consommationFaible consommation

Multitudes d’E/S, souvent Multitudes d’E/S, souvent évoluées (I²C, PWM, …)évoluées (I²C, PWM, …)

Rapidité de calcul en nette Rapidité de calcul en nette croissancecroissance

Marché concurrentiel et gamme Marché concurrentiel et gamme de produits importantede produits importante

Prix attractifsPrix attractifs

Nécessité d’acheter le Nécessité d’acheter le programmateur spécifiqueprogrammateur spécifique

Fragiles et relativement Fragiles et relativement sensibles aux parasitessensibles aux parasites

Besoin fréquent de composants Besoin fréquent de composants annexesannexes

Taille des programmes limitéeTaille des programmes limitée

LE CHOIX DEFINITIFLE CHOIX DEFINITIF

Il s’est porté sur un microcontrôleurIl s’est porté sur un microcontrôleur C’est le meilleur compromis entre les C’est le meilleur compromis entre les

performances d’une PC104 et la fiabilité performances d’une PC104 et la fiabilité des automates programmablesdes automates programmables

Trois familles classiques ont retenu notre Trois familles classiques ont retenu notre attention :attention :

- Les 68HC11 de MotorolaLes 68HC11 de Motorola- Les 8051 et leurs dérivésLes 8051 et leurs dérivés- Les modules BASIC (PicBasic,TigerBasic)Les modules BASIC (PicBasic,TigerBasic)

COMPARAISON ENTRE COMPARAISON ENTRE MICROCONTRÔLEURSMICROCONTRÔLEURS

MODULES BASIC P89Cxxxxx

Mémoire programme 64 à 512 Ko (flash) 64 à 512 Ko (flash) Jusqu’à 64 Ko (flash)Jusqu’à 64 Ko (flash)

RAM 32 à 512 Ko32 à 512 Ko Jusqu‘à 32 KoJusqu‘à 32 Ko

Nb d’E/S 3434 32 (4*8 bits)32 (4*8 bits)

Horloge/Timers OuiOui 3 timers / compteurs (16 3 timers / compteurs (16 bits) / 5 PWMbits) / 5 PWM

CAN De 4 à 8 (10 bits)De 4 à 8 (10 bits) //

Nb d’instr. /sec 40 à 100 000 instr. BASIC40 à 100 000 instr. BASIC 3 000 0003 000 000

Interruptions // 4 niveaux / 6 sources4 niveaux / 6 sources

Communication RS232 + I²C logicielRS232 + I²C logiciel UARTUART

LE TINY TIGERLE TINY TIGER

Modèle de gamme Modèle de gamme supérieuresupérieure

64 Ko SRAM64 Ko SRAM 512 Ko Flash512 Ko Flash 36 E/S36 E/S PWM, timers,…PWM, timers,… 100 000 instr./s100 000 instr./s 2 ports série + I²C2 ports série + I²C

Nécessité d’en utiliser deux

LES E/S DU ROBOTLES E/S DU ROBOT

Tiny TIGER

R/4

Tiny TIGER

R/4

Tiny TIGER

R/4

Tiny TIGER

R/4

Variateur

M

M

Variateur

Capteurs internes divers

CMU CAM

Actionneurs

Télémètres

Balises

Roues Codeuses

SCHEMA SYNOPTIQUE DE L’ARCHITECTURE

LES LES VARIATEURSVARIATEURS

Ce sont les éléments qui permettent la Ce sont les éléments qui permettent la commande en puissance au moteurcommande en puissance au moteur

Variateurs analogiques classiquesVariateurs analogiques classiques Variateurs numériques plus évoluésVariateurs numériques plus évolués

CHANGEMENT DES VARIATEURSCHANGEMENT DES VARIATEURS

Variateur analogiqueVariateur analogique

-60,0

-50,0

-40,0

-30,0

-20,0

-10,0

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

562 563 564 565 566 567 568 569 570 571 572 573 574 575 576 577 578 579 580 581 582 583 584 585 586 587 588 589 590 591 592 593 594

Pas de linéaritéPas de linéarité Trop faible précision dans le contrôleTrop faible précision dans le contrôle

CHANGEMENT DES VARIATEURSCHANGEMENT DES VARIATEURS

Variateur numériqueVariateur numérique

Très bonne linéaritéTrès bonne linéarité Grande précision dans le contrôleGrande précision dans le contrôle

V = 0,2595 PWM

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

0 50 100 150 200 250 300

ASSERVISSEMENTASSERVISSEMENT

Partie la plus conséquente du projetPartie la plus conséquente du projet

Régulation à l’aide de la Régulation à l’aide de la logique flouelogique floue Basé sur les données issues des codeurs Basé sur les données issues des codeurs

incrémentauxincrémentaux Nécessité d’étudier le robot avec la Nécessité d’étudier le robot avec la

trigonométrie trigonométrie importante optimisation importante optimisation des calculs de déplacementdes calculs de déplacement

LA LOGIQUE FLOUELA LOGIQUE FLOUE

Travaux de Lotfi Zadeh introduits en 1965Travaux de Lotfi Zadeh introduits en 1965 Ne demande pas une modélisation Ne demande pas une modélisation

mathématique du système à régulermathématique du système à réguler Transformation des variables physiques Transformation des variables physiques

d’entrée en variables linguistiquesd’entrée en variables linguistiques Inférence par une base de règles logiquesInférence par une base de règles logiques Opération inverse, on retrouve des Opération inverse, on retrouve des

variables physiquesvariables physiques

LA LOGIQUE FLOUELA LOGIQUE FLOUE

FUZZIFICATIONFUZZIFICATION

Variables physiques

INFERENCEINFERENCE

DEFUZZIFICATIONDEFUZZIFICATION

Variables physiques

FUZZIFICATIONFUZZIFICATION

Pour chaque variable, on définit des sous-Pour chaque variable, on définit des sous-ensembles flous qui traduisent une ensembles flous qui traduisent une variable linguistiquevariable linguistique

Faible distance

Moyenne distance

Grande distance

0,8

0,41 2 3

0

1

A une valeur donnée, on associe un degré A une valeur donnée, on associe un degré d’appartenance à chaque sous-ensembled’appartenance à chaque sous-ensemble

REGLES D’INFERENCEREGLES D’INFERENCE

SI distance EST faible ALORS vitesse minimale

SI distance EST moyenne ALORS vitesse moyenne

SI distance EST élevée ALORS vitesse maximale

Une note est donnée à MINIMALE, MOYENNE et MAXIMALEUne note est donnée à MINIMALE, MOYENNE et MAXIMALE OU OU SOMME PONDEREE SOMME PONDEREE ET et ALORS ET et ALORS PRODUIT PRODUIT

OUOU

OUOU

DEFUZZIFICATIONDEFUZZIFICATION

On détermine la variable de sortie en se basant On détermine la variable de sortie en se basant sur les notes attribuées lors des inférencessur les notes attribuées lors des inférences

La valeur finale se déduit à l’aide du calcul du La valeur finale se déduit à l’aide du calcul du barycentre en généralbarycentre en général

Nous avons utilisé la méthode Somme/Produit :Nous avons utilisé la méthode Somme/Produit :

Vitesse minimale Vitesse moyenne Vitesse maximale

0.75

0.4

CdG

STRUCTURE DU PROGRAMMESTRUCTURE DU PROGRAMME

Tâche MAIN (stratégie, contrôle du temps et de l’asservissement)

Couche asservissement

REGLES () DEFUZZIFICATION ()

Couche intégrationet calculs

CALCUL_PARAMETRES (DST, DIR)

GET_POSITION () Couche interfaçage

FUZZIFICATION ()

SORTIE_MOTEURS ()

ARCTANGENTE()

INITIALISATION ()

AJUSTEMENT_ANGLE_ENTIER()

AJUSTEMENT_ANGLE_REEL()

CARTE D’ESSAISCARTE D’ESSAIS

BILANBILAN

Architecture bien définie, fonctionnelleArchitecture bien définie, fonctionnelle

Asservissement efficace, à réglerAsservissement efficace, à régler

Gain en fiabilité et en simplicitéGain en fiabilité et en simplicité

Programmation structurée en couchesProgrammation structurée en couches

Divers outils annexes développésDivers outils annexes développés

MERCI DE VOTRE ATTENTIONMERCI DE VOTRE ATTENTION

QUESTIONSQUESTIONS