RAPPORT FINAL DU PROJET DE FIN DE PREMIERE …nihau.free.fr/Projet_industriel/Vince IUT 1ere annee...

IUT de NICE Département GEII

Laboratoire ER1 Année 2001/2002 Auteur : Martinez & Pace

RAPPORT FINAL DU PROJET DE FIN DE RAPPORT FINAL DU PROJET DE FIN DE RAPPORT FINAL DU PROJET DE FIN DE RAPPORT FINAL DU PROJET DE FIN DE PREMIERE ANNEE D’ETUDES ET PREMIERE ANNEE D’ETUDES ET PREMIERE ANNEE D’ETUDES ET PREMIERE ANNEE D’ETUDES ET

REALISATIONREALISATIONREALISATIONREALISATION ::::«««« ROBOTS OPTOGUIDESROBOTS OPTOGUIDESROBOTS OPTOGUIDESROBOTS OPTOGUIDES »»»»

Intervenants : J.L.GOUIT, C.BARAT responsable du projet : P.LAURENT

SommaireSommaireSommaireSommaire


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1. Introduction

� Présentation du concours officiel et des adaptations au département de Nice

� Présentation de la maquette.

2. Analyse fonctionnelle du projet

2.1. Schéma bloc fonctionnel général.

2.2. Bloc interface puissance. 2.2.1. Etude analogique du circuit d’interface.

� Dimensionnement. � Schéma électrique

2.2.2. Solution de commande en logique programmable � Schéma bloc logique � Algorithme de fonctionnement � Comparaison des solutions

2.2.3. Essais et mesures � Caractéristique vitesse/commande � Mise en équation des trajectoires

2.2.4. Conclusion

2.3. Bloc guidage 2.3.1. Etude analogique du capteur

� Mise en œuvre et mise en forme � Schéma électrique

2.3.2. Solution de commande en logique programmable � Schéma bloc logique � Algorithme de fonctionnement � Simulations de fonctionnement

2.3.3. Essais, meures et conclusions

2.4. Evolution et amélioration de l’algorithme de guidage � Schéma bloc logique � Algorithme de fonctionnement � Simulations de fonctionnement � Essais

3. Conclusion générale 4. Annexe (tableaux de correspondance,schéma électriques)

1.introduction

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Le département GEII de Nice a réunit ses efforts pour mettre au point, à partir de l’année 2002, une plate-forme de robot équipée de 2 moteurs à courant continu de 20w/12v.Le but est de faire suivre au robot une ligne au sol matérialisée par une ligne blanche de 19 cm de large sur le parcours suivant :

Aspects du jeu :


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Les équipes comprennent au maximum 4 étudiants. Ce concours se veut avant tout un challenge entre étudiants : dans cet esprit, un enseignant peut accompagner une équipe, mais il ne participe en aucun cas aux modifications du robot, sous peine de disqualification. Le robot sera construit à partir d’un kit imposé, comprenant le châssis, les Moteurs, les roues et la batterie (cf.annexe). Le robot doit être capable de suivre une piste le plus rapidement possible, de faire tomber une première barre située à la fin de la piste et de laisser en place une seconde barre, distante de 20 cm la première. Le robot doit évoluer sans aucune aide extérieure.

Aspects techniques :

Le robot sera autonome en énergie ( batterie fournie pour les moteurs, mais L’alimentation est libre pour la partie commande. Le robot doit suivre une piste blanche, matérialisée au sol par un ruban adhésif de 19 mm, sur un fond en moquette verte. Le rayon de la piste minimum de la piste est de 5 cm, un indicateur D’intersection avec la piste du robot concurrent est matérialisée sous forme d’une portion de piste perpendiculaire de 50 cm de long et placé 50cm avant l’intersection. Le jack de départ fourni doit avoir pour dimensions maximales : largeur : 30 cm, longueur : 30 cm et hauteur : 1 m Lors des épreuves, l’éclairage ambiant sera élevé ( de l’ordre de 3000 lux )

Déroulement du jeux :

Il y a deux départs possibles :

� Le nez du robot se trouve 20 cm en avant du début de piste � Le nez du robot est au-dessus du début de la piste, sur 10 cm

Le chronométrage commence au top départ et se termine lorsque la première barre touche le sol. Le robot doit faire le tour de chacun des plots correspondant à son parcours, sans les toucher . En cas de collision entre deux robots, la règle est la priorité à droite, les deux robots reprennent le départ et le prioritaire prend obligatoirement 10seconde d’ avance sur l’ autre L’arrêt final du robot doit être automatique et après le départ, aucun membre de l’équipe ne pourra venir sur l’aire de jeux .

Présentation de la maquette et des caractéristiques :


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Le robot est équipé de 2 moteurs à courant continu 12v dont les caractéristiques sont les suivantes ( voir feuille qui suit) :

Moteur : Entraînement au sol :

V nominale=12 v 2 roues associées à un I nominale=1.45 A réducteur de rapport 1/2 I Max=11 A diamètre des roues= 52mm Vitesse nominale : Epaisseur roues=52mm 2640 tr/mn à 12 volts masse à vide=2kg 3300 tr/mn à 15 volts charge utile=2 kg Vit linéaire Max=1.3m/s


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2.2. Bloc Interface de puissance

« Nécessité d’ un interface de puissance »


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Dans un premier temps regardons de quoi est fait un moteur à courant continue Modélisation :

CARACTERISTIQUES MOTEUR:

Tension nominale: 12V pouvant être alimenté en 15V Courant nominal de charge: 1.45A Courant max.: 11A Vitesse nominale: 2640 Tr/min à 12V 3300 Tr/min à 15V Entraînement au sol: assuré par 2 roues associées à un réducteur Masse à vide: 2kg Charge utile: 2kg Vitesse linéaire max.: 1.3m/s Effort de poussée: 30N

COMPLEMENTS: voir annexes 2.1 et 2.2

Il est évident que les caractéristiques moteurs et la technologie TTL des composants n'est pas compatible. Ce qui nécessite une amplification des signaux susceptibles d'entrer dans le moteur.

2.2.1 Etude analogique du circuit d’interface.

A. Etude Préliminaire


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L'objectif est de faire varier la vitesse des moteur de façon indépendante; afin de permettre au robot de tourner, dans un premier temps, et d'épouser les courbes de façon optimale, dans un second temps. Pour réaliser ce fonctionnement, Nous avons décidé d'injecter dans les moteurs à courant continu (MCC) des tensions en créneaux à rapport cyclique variable. Ainsi en faisant varier le rapport cyclique de la tension d'entrée au borne du moteur on fait varier la valeur moyenne de celle-ci. Et donc, selon une des équations du moteur à courant continu qui est:

E=K.Phi.Omega

On y constate que la vitesse angulaire de rotation est directement proportionnelle à la force électromotrice; donc par ce principe de variation de rapport cyclique en entrée, on s'aperçoit que l'on peut faire varier la vitesse du moteur.

Avant de mettre en oeuvre ce procédé, un problème supplémentaire apparaît: celui du choix de l'interface de puissance.

Extrait du cahier des charges: Tension au bornes des MCC: ~12V Courant moteur: 3 à 4A

On comprend bien que le bloc guidage situé en amont, constitué d'un circuit logique programmable (PLD) ne peut pas fournir de telles valeurs; d'où la nécessité de cette interface de puissance. Pour ce faire, une étude sur ce principe a déjà été réalisée lors de notre précédant projet: le "Thermomètre à affichage numérique".

Résonnons en blocs fonctionnelles, en qui concerne nos moteurs on obtient ceci, c'est à dire le même principe qu'auparavant:

Nous avons besoin de: Vmot directement proportionnelle à Vréf., n Bits permettant d'offrir une palette de tensions et donc d'ajuster au mieux les vitesses.


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Ainsi, cette interface de puissance peut se résumé à ce qui suit:

ROLE: Convertir Vref en Vmot (du numérique vers l'analogique)

RESSOURCES D'ENTREES: Vréf1, Vréf2: grandeurs numériques codées sur 5 bits

RESSOURCES DE SORTIES: 2 grandeurs analogiques: Vmot[0;12V] Imot[0;3.5A]

B. Recherche d'un signal a rapport cyclique variable

Lors de l’ étude en laboratoire de ce bloc , nous sommes partis sur la solution utilisant les acquis du projet précédant (générateur de rampe):

SOLUTION 1:

Utilisation d'un bloc CNA/R2R pour la conversion numérique/analogique Amplificateur de courant réalisé par un montage à transistors bipolaires.

Problème: pertes d'environ 10% par rapport à la vitesse max (calculs passés outre) dues aux tensions de seuil des transistors (Vbe). Amplificateur de tension réalisé par un AOP non inverseur en mono alimentation. Problème: tensions de déchets, on aura en sortie une plage comprise entre plus de 0V et moins de 12V.

En faisant un rapide bilan des puissances on s'aperçoit vite que la majorité de la puissance est dissipée par le transistor (P=Vce.Ic). D'où un rendement très mauvais, intolérable pour un système embarqué.

Problème: l'autonomie du robot.

Ce procédé connaît rapidement ses limites du fait qu'il s'agisse, ici, d'un système embarqué. Ce qui nous oblige à mettre en oeuvre une nouvelle étude.

SOLUTION 2:

On propose de pencher vers une alimentation à découpage de type Hacheur de tension, dont voici le schéma de principe:

Schéma hacheur: voir document 2.3 ci-après

Principe de fonctionnement:


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Vmli='1' => |K1 on => Vmot=Vbat |K2 off Imot=Ibat

Vmli='0' => |K1 off => Vmot=0V |K2 on Imot=0A

Le moteur étant un récepteur à inertie, il est sensible la valeur moyenne de Vmot, notée <Vmot>. Malgré les créneaux à '0' de Vmli, le moteur ne s'arrêtera pas , évidement vu la fréquence élevée de l'horloge interne qui cadence le circuit.

Quand au courant moteur, lui est quasi-constant grâce aux bobines (self) constituant l'induit du moteur.

On adoptera la solution Hacheur, très rentable, facile à mettre en oeuvre.

2.2.2 Etude hacheur et de sa commande

1. Le Hacheur

Voir document blocs fonctionnelles 2.4 ci-après

IDENTIFICATION: Hacheur de tension 4 quadrants

REFERENCE: circuit spécial L 298 (voir annexe final)


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FONCTION: Amplification en tension et en courant des signaux de commande entrant dans le hacheur: Vmli1a, Vmli2a.

RESSOURCES D'ENTREES: Vmli1a, Vmli2a: signaux logique TTL à rapport cyclique variable et de fréquence fixe 100kHz/32 à cause du compteur 5 bits, nous expliquerons cette particularité par la suite.

RESSOURCES DE SORTIES: Vmot1, Vmot2: tension de commandes moteurs. Vmot1/2 [0,12V] Imot1/2 [0,4A]

VERIFICATIONS: Courants d'entrée compatible TTL Fréquence de commutation max=40kHz => 3kHZ pour

notre montage Charge inductive, moteur DC acceptés

On décide d'utiliser ce composant L 298 dit "Dual full-bridge driver". Un pont permet de d'alimenter un moteur et d'inverser le sens de rotation. Ici, dans notre étude la "marche arrière" n'est pas prise en compte. Cependant on se souvient que le courant moteur peut être de 4A, or, notre hacheur L 298 ne peut supporter que 2A max. Alors pour solutionner ce problème étant donné que nous avons ces composants L 298 en magasin, on effectuera une mise en parallèle des 2 ponts du composant. D'où la nécessité de 2 composants: 1 par moteur.

COMPLEMENTS D'INFORMATIONS: La résistance Rsa permet d'obtenir l'image du courant mais dans notre application ce sera l'image de la moitié du courant. On décide de placer un condensateur de découplage, le plus près possible du composant hacheur pour fournir le courant nécessaire lors des commutations, ce problème est du au l'induction du circuit et donc du temps de retard du courant en fonction des ordres de Vmli.

Attention: La programmation des signaux IN1/2 et IN3/4 des ponts doit se faire en inverse à cause de l'entrée PAS d'une porte ET du composant.

Le problème du hacheur étant résolu, nous pouvons maintenant passer à l'étude de la partie "software", la mise en forme des signaux modulés en largeur d'impulsion.

2. La Fonction Mli


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RESSOURCES D'ENTREES: Ref-mli1, Ref-mli2: grandeurs numérique codées sur 5 bits.

RESSOURCES DE SORTIES: Vmli1, Vmli2: tensions en créneaux à rapport cyclique variable.

outils: logiciel de VHDL carte contenant un PLD Altéra 7064S

La fonction (modulation de largeur d'impulsions) est la clé du principe du variation de vitesse du MCC. On obtient cette MLI en faisant commuter les interrupteurs K1 et K2 de façon complémentaire à une fréquence d'environ 3kHz, suffisamment élevée pour que le moteur ne voit que la valeur moyenne de cette tension. Tout ceci selon le principe de fonctionnement présenté dans le paragraphe 2.2.1/2./solution 2 et également dans le document 2.3.

Il s'agit maintenant d'effectuer en langage VHDL un algorithme de programmation. Le programme est donné ci-joins Voir document 2.5.

Il comprend: L'impulsion "comcapt" qui permet de synchroniser la lecture des entrées Ref-mli tous les 32 coups d'horloge, l'étude de ref-mli n'est pas prise en compte dans cette partie.

Les conditions de mises à '1' et à '0' des Vmli.

La simulation illustre bien le programme, on y constate le rôle de comcapt qui autorise la lecture des entrées, fixées à des valeurs données pour la simulation ci-jointe Voir document 2.5bis.

2.2.3 Essais, Mesures

On vérifie tout d'abord le signal Vmli, donc la modulation de l'état '1' selon une référence fixée à l'aide d'une carte à interrupteurs. Voir document 2.6 et 2.7. Tout fonctionne comme prévue.

Etude de la vitesse moteur en fonction de la référence mli et mise en relief des équations (en fait, il s'agit d'un étalonnage afin d'en déduire la vitesse linéaire plus parlante lors des essais effectifs). Voir document 2.8.

Etude de Vmli en fonction de Ref-mli, équation. Voir document 2.9.

Comme on le constater suivant les différent essais et mesures, la partie puissance est maintenant opérationnelle.

2.2.4 Conclusion


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La partie commande du bloc puissance simulée dans cette étude, mais très proche de ce qu'elle sera dans la réalité, a permis d'élaborer une interface de puissance répondant de façon optimale aux ordres donnés. On a réalisé en quelque sorte un boucle d'asservissement car, comme on peut le constater sur le document 2.5bis de simulation, le système est bien échantillonné et donc synchronisé, ce qui le rend fiable vu son temps de réaction très faible. Les essais de variation de vitesse sont concluant, nous pouvons donc passer à la partie Guidage, donc de tenir compte, maintenant, des capteurs qui sont en quelque sorte les "yeux" de ce système.

2.3 Bloc guidage


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2.3.1 Etude analogique du capteur

Les capteurs vont nous permettre de gérer les signaux réf(MLI), car en fonction des informations qu’ils vont apportés réf(MLI) va pouvoir évoluer et ainsi la vitesse pourra être adapter en fonction du tracé.

Choix du capteur : -il faut qu’ il puisse détecter la ligne blanche

donc il va avoir comme information entrante de l énergie lumineuse et il rendra en sortie une indication numérique de la position

Contraintes :-il faut qu’il soit simple, pas cher, peu sensible aux conditions externes

Nous connaissons plusieurs types de capteurs tel que la caméra ccd, barrettes ccd, phototransistor, optocoupleurs.

� Solution

Nous utiliserons un optocoupleur de référence OBP704 qui regroupe une LED+un phototransistor). Il émet un rayon focalisé et récupère la réflexion de ce rayon par un photo transistor que nous utiliserons pour repérer la position de la bande de guidage.(voir schéma électrique dans l’ annexe)

remarques - + la distance de focalisation est grande + il y a des pertes

dans le rayon émergent (ATTENTION !!) - les rayons sont infra-rouges (évite beaucoup de problèmes)

� Mise en œuvre et mise en forme


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La mise en forme est confiée à un circuit TTL 74HCT14 (porte inverseuse trigger) et permet de disposer de 6 signaux TTL actifs au niveau 1,nommés capteur1…capteur6 présents sur le bus de connexion du robot.

Le capteur 1 désigne le capteur extrême avant droit et le capteur 6 désigne le capteur avant extrême gauche.

CAPTEURS ADAPTATEUR CAPTEURS

#1 #2 #3 #4 #5 #6

FONCTION

Nous avons put voir que les composants n ayant pas une normalisation standard il y a des dispersions, donc selon le courant IF choisit il y aura différents courant Ic .

� On prend une valeur moyenne de IF

Courant IF Courant Ic

Vc

DIODE PHOTOTRANSISTOR

Flux lumineux Après études nous prendrons : IF = 20 mA et Vc = 1.7 v nous pouvons voir d’ après la fiche technique de ce capteur que nous avons : Ic1(réf) = 0.3 mA et


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Ic2(non réflectif) =6 uA.

Nous allons étudier maintenant le bloc guidage de deux points de vue la partie émettrice et la partie réceptrice.

Coté émetteur :

Montage type coté récepteur pour un capteur

� SOLUTION N°-1 : Pour 6 capteurs

Il y a un problème car la batterie peut fournie du 14 v mais oscille jusqu’à sa valeur min 10v Or on peut constater que les 6 diodes posent problème avec leur ddp de 10,2 v et on sait que si la ddp baisse alors le courant baisse aussi alors IFbaisse

� SOLUTION N°-2 :


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c’est une solution qui respecte les conditions de tension et de courant. On prend un régulateur de 8 volts qui applique la formule Vin>Vo+2 v On a ainsi bien 8v régulé qui arrive aux 3 diodes en parallèle .La solution n-2 est la solution CORRECTE.

Coté récepteur :

Le but qui nous faut atteindre dans cette partie est de mettre en forme le type de signal qui arrive en un signal compréhensible par le V.H.D.L. Le courant Ic qui sort du phototransistor est différent en fonction de la réflexion tel que :

Ic

réfléchi non réfléchi Réel (rouge)

idéal (bleu)

Lumière

Pour pouvoir obtenir la courbe idéal on va filtrer la sortie du transistor par un trigger hystérésis, on aura ainsi notre courbe idéal tel connaît la courbe du trigger avec les deux seuils de basculements ( vt+=0.95v ;vt-=1.6 v).Ce signal pourra être compris par le V.H.D.L. ,donc la transformation TTL V.H.D.L est réussi.

Réception Transformation


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Remarque :

On prend comme composant le SN74HCT14 qui contient 6 trigger ,ce qui nous arrange car nous avons les 6 capteurs.

� Exprimons PC : On sait que IF et proportionnel à Ic :

Ic= 6uA. ( Non réfléchi) Ic=0.3 mA. (réfléchi) IF=20 mA.

On obtient

Vcc -Pc * Icmin < Vt- Vcc- Pc * Icmax < VT+

2.3.2 Solution de commande en logique programmable


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� Schéma bloc logique

Réf mli 1 (5)

Réf mli 2 (5)

[ Vit 1a ..vit 1b]

[vit 2a..vit 2b]

Cout = 1 quand le compteur atteint la valeur 31 sinon il reste égal à 0.

� Algorithme de fonctionnement (voir feuilles qui suivent) � Simulations de fonctionnement (voir feuilles qui suivent)

2.3.3. Essais, meures et conclusions

Après un premier essai concluant sur la piste ovale nous avons cherchés à améliorer la fluidité des trajectoires en jouant sur le programme qui fait évoluer

la vitesse en fonction de Réf mli. � Voir les fiches de programmes V.H.D.L et les simulations qui suivent

la fin de l’étude de ce bloc.

Nous réalisons ensuite plusieurs tests pour pouvoir obtenir une valeur de Réf mli en fonction du codage capteur.

BLOC

GUIDAGE

MLI

COMPTEUR (0 à 31)

Cout

Capteur (6)

Horloge

Mli1a

Mli2b =1

Mli2a

Mli2b=1


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Remarque :

� Présentation capteur

COMMANDE 6 5 4 3 2 1 MOTEUR N-1

MOTEUR N-2

Réfmli 1

Réfmli 2

GAUCHE +++

1 0 0 0 0 0 - - - + + + ? ?

GAUCHE + +

0 1 0 0 0 0 - - + + ? ?

GAUCHE +

0 0 1 0 0 0 - + ? ?

TOUT DROIT

0 0 1 1 0 0 = = ? ?

DROITE +

0 0 0 1 0 0 + - ? ?

DROITE ++

0 0 0 0 1 0 ++ - - ? ?

DROITE +++

0 0 0 0 0 1 + + + - - - ? ?

PERDU 0 0 0 0 0 0 ? ? ? ?

Les points d’ interrogations seront remplacés par les résultats obtenus lors des tests.


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3.Conclusion générale

l étude des différents blocs nous à permis de créer une carte qui va analyser les informations des capteurs et ainsi donner une conduite correcte à notre robot

visualisation de la carte :

On peut retrouver le port de connexion en bleue qui permet de programmer le composant centrale de la carte.

Notre robot à réaliser après une longue attente les deux circuits imposés en un essai sur une moyenne de temps de 19 secondes. Nous pensons que les objectifs imposés par nos professeurs ont été pleinement remplis malgré le bloc amélioration de l’ algorithme de guidage qui n’ a put être étudier car faute de temps.

Enfin, selon un point de vue personnel ce projet nous à permis de mettre en pratique les connaissances acquises tout au long de l’ année au travers d’un projet intéressant et ludique.

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