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Conception et réalisation d’une plate-forme de commande d’un fauteuil roulant électrique BOUZIDI Mohamed & WALI Mohamed

Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax sur 71

Table de Matière

Table des figures .................................................................................................................................... 3

Table des tableaux ................................................................................................................................. 4

Introduction générale ............................................................................................................................ 5

Chapitre 1: Etat de l'art ……………..…………………………….………………………….………9

1. Introduction ................................................................................................................................... 8

2. Cahier des charges......................................................................................................................... 8

3. Généralité sur la robotique ........................................................................................................... 8

3.1. Historique des robots ............................................................................................................... 8

3.2. Les différents types des robots mobiles ................................................................................... 9

3.2.1. Robots militaires .............................................................................................................. 9

3.2.2. Robots explorateurs ....................................................................................................... 10

3.2.3. Robots humanoïdes ....................................................................................................... 11

4. Généralité sur les fauteuils roulants électriques ....................................................................... 12

4.1. Les origines du fauteuil roulant électrique ............................................................................ 12

4.2. Descriptif du fauteuil roulant électrique ................................................................................ 12

4.3. Les Fauteuils roulants intelligents ......................................................................................... 13

4.3.1. Le projet de VAHM....................................................................................................... 13

4.3.2. PROJET WAD « WHEELCHAIR ATTRACTOR DYNAMICS » .............................. 14

5. Les capteurs ................................................................................................................................. 15

5.1. Les capteurs proprioceptifs.................................................................................................... 15

5.2. Les télémètres ........................................................................................................................ 16

5.2.1. Télémètres à ultrasons ................................................................................................... 16

5.2.2. Télémètres à infrarouges ............................................................................................... 17

5.2.3. Télémètres laser ............................................................................................................. 18

5.3. Les capteurs photographiques ............................................................................................... 19

5.4. Les caméras ........................................................................................................................... 19

5.4.1. Les caméras stéréoscopiques ......................................................................................... 20

5.4.2. Les caméras panoramiques ............................................................................................ 20

6. Les solutions proposées ............................................................................................................... 21

7. Conclusion .................................................................................................................................... 22

Chapitre 2: Conception et réalisation d'une carte de commande d'un fauteuil roulant

électrique………………..…...………………………………………..……………………………….26

1. Introduction ................................................................................................................................. 24

2. Présentation de notre Fauteuil roulant électrique .................................................................... 24

2.1. Choix du fauteuil roulant électrique ...................................................................................... 24



2.2. Synoptique d’un fauteuil roulant électrique .......................................................................... 25

2.2.1. Principe de fonctionnement du joystick ........................................................................ 26

2.2.2. Extractions des signaux délivrés par le joystick ............................................................ 27

2.2.3. Partie commande de la carte .......................................................................................... 29

2.2.4. Partie puissance de la carte ............................................................................................ 30

2.2.5. Description des signaux PWM ...................................................................................... 31

2.2.5.1. Taux du PWM ....................................................................................................... 31

2.2.5.2. Allure du courant ................................................................................................... 32

2.2.5.3. Extractions des signaux PWM ............................................................................... 32

2.2.6. Les motoréducteurs ....................................................................................................... 34

3. Choix de matériels ....................................................................................................................... 35

3.1. Choix du microcontrôleur...................................................................................................... 35

3.2. Choix des capteurs de distance .............................................................................................. 36

3.2.1. Choix des capteurs ultrasons ......................................................................................... 36

3.2.1.1. Lego Mindstorms NXT ......................................................................................... 36

3.2.1.2. Vex Robotics ......................................................................................................... 37

3.2.1.3. Paralax ................................................................................................................... 37

3.2.1.4. Maxbotix « MaxSonar-EZ1 » ................................................................................ 37

3.2.1.5. Module télémètre ultrason « SRF08 » ................................................................... 38

3.2.2. Choix des capteurs infrarouges ..................................................................................... 39

4. Choix d’installation des capteurs ............................................................................................... 40

5. Logiciels et bibliothèques utilisées ............................................................................................. 41

6. Synoptique de plateforme de commande en se basant sur les capteurs ................................. 43

7. Conception de la carte de commande du fauteuil roulant électrique ..................................... 44

8. Conclusion .................................................................................................................................... 46

Chapitre 3: Implémentation des différents algorithmes de commande ......................................... 47

1. Introduction ................................................................................................................................. 48

2. Communication entre le capteur « SRF08 » et l’HyperTerminal ........................................... 48

3. Installation des capteurs sur le fauteuil roulant électrique ..................................................... 49

4. Détection et évitement d’obstacle ............................................................................................... 50

5. Suivie de mur ............................................................................................................................... 51

6. Suivie de cible .............................................................................................................................. 53

7. Synoptique de commande intelligente du fauteuil roulant électrique .................................... 56

8. Commande à distance via internet ............................................................................................ 56

9. Commande vocale ....................................................................................................................... 60

10. Commande par détection de mouvement facial « Face Tracking » ........................................ 63



10.1. Choix de bibliothèque OpenCV «Open Source Computer vision Library» ...................... 63

10.2. Détection du visage ........................................................................................................... 64

10.3. Algorithme de détection de mouvement facial .................................................................. 65

10.4. Test de fonctionnement de l’interface ............................................................................... 67

11. Conclusion .................................................................................................................................... 67

Conclusion et perspectives .................................................................................................................. 68

Bibliographie........................................................................................................................................ 70

Liste des figures

Figure 1. Robot en 1920 "Rossum’s Universel Robots" .......................................................................... 9

Figure 2. Exemple d'un robot militaire " le drone "Predator" .............................................................. 10

Figure 3. Principaux équipement et instruments du Rover ................................................................... 10

Figure 4. Exemple d'un robot humanoïde .............................................................................................. 11

Figure 5. Les différents types de fauteuils (A: Fauteuil d’intérieur, B: Fauteuil d’extérieur, C:

Fauteuil verticalisateur, D: Fauteuil à hauteur variable) .................................................................... 12

Figure 6. Le projet de VAHM ................................................................................................................ 14

Figure 7. PROJET WAD « WHEELCHAIR ATTRACTOR DYNAMICS » ............................................ 14

Figure 8. Principe général de l'odométrie ............................................................................................. 15

Figure 9. Principe du télémètre à ultrasons et exemple de télémètre réel. ........................................... 16

Figure 10. Principe du télémètre infrarouge à triangulation et exemple de télémètre réel .................. 17

Figure 11. Illustration du principe de fonctionnement d’un télémètre Laser et un exemple de Télémètre

Laser à balayage, fournissant 720 mesure réparties sur 360 degrés, à 5Hz (marque LBEO). ............ 18

Figure 12. Les capteurs photographiques (A: capteur CCD, B: capteur CMOS) ................................. 19

Figure 13. Exemple de données fournies par des caméras stéréoscopiques. ........................................ 20

Figure 14. Principe des caméras panoramiques catadioptriques, ........................................................ 21

Figure 15. Caractéristiques techniques du notre fauteuil roulant électrique ........................................ 24

Figure 16. Synoptique du fauteuil roulant éclectique ............................................................................ 25

Figure 17. Les tensions analogiques fournie par Joystick sur les axes X et Y ...................................... 26

Figure 18. Organigramme simplifié du fonctionnement du joystick ..................................................... 27

Figure 19. Signal délivré par le joystick à l’état « avant » ................................................................... 28

Figure 20. Signal délivré par le joystick à l’état « gauche » ................................................................. 28

Figure 21.Partie commande de la carte ................................................................................................ 29

Figure 22. Partie puissance de la carte ................................................................................................ 30

Figure 23. Commande du moteur par pont en H ................................................................................... 30

Figure 24. Signal PWM ......................................................................................................................... 31

Figure 25. L’allure de la tension moyenne ............................................................................................ 32

Figure 26. L'allure du courant............................................................................................................... 32

Figure 27. Signal du moteur droit lorsque le fauteuil tourne à droite ................................................. 33

Figure 28. Signal du moteur gauche lorsque le fauteuil tourne à droite .............................................. 33

Figure 29. Signal du moteur droit et du moteur gauche lorsque le fauteuil tourne à gauche ............... 34

Figure 30. Signal du moteur droit et du moteur gauche lorsque le fauteuil recule en arrière .............. 34

Figure 31. Moteur à courant continu associé à un motoréducteur du fauteuil ..................................... 35



Figure 32. Brochage du Pic 16F877 ..................................................................................................... 35

Figure 33.Capteurs Ultrason VEX ROBOTICS avec leur Kit « VEX » ................................................ 37

Figure 34. Capteur ultrason PARALLAX .............................................................................................. 37

Figure 35. Module télémètre ultrason « SRF08 » ................................................................................. 38

Figure 36. Plage de détection du capteur « SRF08 » ............................................................................ 39

Figure 37. Capteur de distance infrarouge "GP2D12" ......................................................................... 39

Figure 38. Principe de fonctionnement de GP2D12 ............................................................................. 40

Figure 39. Modèle classique d'installation des capteurs Ultrason « Ceinture des capteurs ».............. 40

Figure 40. Nouveau modèle d’installation des capteurs Ultrason ........................................................ 41

Figure 41. Les logiciels et les bibliothèques utilisés ............................................................................. 42

Figure 42.Synoptique de plateforme de commande en se basant sur les capteurs ................................ 43

Figure 43. Schéma de la carte de commande ........................................................................................ 44

Figure 44. Typon de la carte de commande ......................................................................................... 45

Figure 45. Réalisation de la carte de commande .................................................................................. 46

Figure 46. Communication entre le capteur SRF08 et l’HyperTerminal .............................................. 48

Figure 47. Affichage de distance du capteur ultrason « SRF08 » par l’HyperTerminal ..................... 48

Figure 48. Positionnement des capteurs ................................................................................................ 49

Figure 49. Principe général d'évitement d'obstacle .............................................................................. 50

Figure 50. Organigramme de détection et évitement d'obstacle .......................................................... 51

Figure 51. Exemple de suivie de mur..................................................................................................... 52

Figure 52. Organigramme de suivie de mur .......................................................................................... 53

Figure 53. Principe général de suivie de cible avec un exemple réel.................................................... 54

Figure 54. Organigramme de suivie de cible ........................................................................................ 55

Figure 55. Synoptique de commande intelligente du fauteuil roulant électrique .................................. 56

Figure 56. Les étapes nécessaires pour la commande à distance via internet ...................................... 56

Figure 57. Configuration de contrôle à distance sur le pc qui devra être contrôlé .............................. 57

Figure 58. Invite de commande pour afficher l'adresse IP.................................................................... 58

Figure 59. Connexion bureau à distance ............................................................................................... 58

Figure 60. Interface de la commande à distance ................................................................................... 59

Figure 61. Les étapes nécessaires pour réaliser la commande vocale .................................................. 60

Figure 62. Ajout de la référence « Microsoft Speech Object Library .dll » ......................................... 61

Figure 63. Interface de la commande vocale ......................................................................................... 62

Figure 64. Différentes fonctions d'OpenCV ........................................................................................... 63

Figure 65. Interface de détection de mouvement facial ......................................................................... 65

Figure 66. Organigramme de détection de mouvement facial ............................................................... 66

Figure 67.Test de la commande par détection de mouvement facial ..................................................... 67

Liste des tableaux

Tableau 1. Liste des erreurs .................................................................................................................. 29

Tableau 2. Sens de rotation du moteur selon l’état des transistors ...................................................... 31



Introduction générale

Un nombre important de personnes handicapés ne peuvent pas utiliser un fauteuil électrique

standard ou le conduisent difficilement. Pour permettre à ces personnes de se déplacer d’une

manière autonome, des chercheurs se sont intéressés depuis plus de vingt ans à l’amélioration

de l’interface homme-machine soit en améliorant les actions de l’utilisateur sur le joystick

classique du fauteuil, soit en implémentant de nouvelles interfaces de commande. Un autre

axe de recherche a concerné le développement de fauteuils roulants électriques (FRE) «

intelligents ». L’intelligence d’un fauteuil roulant réside dans sa capacité à percevoir

l’environnement grâce à différents types de capteurs. De nombreux prototypes de fauteuils

intelligents ont ainsi été développés dans les laboratoires de recherche. La plupart des

technologies et méthodes de la robotique mobile ont été implémentées et testées sans que

malheureusement cela n’aboutisse à de réels progrès pour l’utilisateur : seules des

fonctionnalités de bas niveau (détection d’obstacles, suivi de lignes) sont actuellement

commercialisées et donc accessibles à tout le monde.

La problématique abordée dans ce mémoire consiste à proposer une fonctionnalité d’aide au

pilotage et de faire ainsi un pas vers le transfert technologique de fonctions de mobilité

autonome plus complexes. Cette solution consiste à développer une gamme évoluée de

commande pour la conduite des fauteuils électriques.

Ce mémoire s’attache à la définition du mode de commande automatique et à prouver l’intérêt

de l’utilisation d’un tel mode de commande. Pour cela on a conçu des différents algorithmes

de commande d’un fauteuil roulant électrique.

Le premier chapitre présente une classification des robots mobiles en général et des fauteuils

roulant particulièrement, présente aussi des fameux projets sur les fauteuils roulants

intelligents. Nous clôturons ce chapitre par la description des différents types des capteurs et

des caméras les plus utilisé en robotique.

Le second chapitre est consacré aux caractéristiques de notre fauteuil roulant électrique. Nous

Allons décrire le choix du fauteuil roulant électrique, la partie commande et la partie

puissance et s’intéresser au choix matériels et logiciels. Nous conclurons par la description de

la carte de commande du fauteuil roulant électrique qu’on va réaliser.

Le dernier chapitre s’intéresse aux différentes techniques de navigation en se basant sur les

capteurs de distance et sur l’interface homme-machine. Nous allons détailler les différents

techniques et algorithmes de navigation automatique tels que la détection et évitement



d’obstacle, suivie de mur, suivie de cible, commande à distance via internet, commande

vocale et commande par détection de mouvement facial, afin d’assurer l’amélioration

effectivement des performances de pilotage d’un fauteuil électrique.

Nous terminons notre rapport par une conclusion et perspectives.



Chapitre 1

Etat de l’art



1. Introduction

Dans ce chapitre nous allons nous intéresser tout d’abord aux robots mobiles et leurs

classifications. Nous aborderons ensuite l’évolution technologique des fauteuils roulants

intelligents (FRI) en détaillant les différents types des fauteuils roulants électrique (FRE) et la

description des fameux projets des fauteuils roulants intelligents tel que le projet VAHM

(Véhicule autonome pour Handicapés Moteurs) et le projet de WAD (Wheelchair Attractor

Dynamics). Le point suivant va s’intéresser au troisième volet aux différents types des

capteurs et des caméras les plus utiliser en robotique. Enfin nous conclurons ce chapitre par

les solutions proposés.

2. Cahier des charges

Ce projet a pour but de promouvoir la mobilité d’une personne handicapé utilisant un fauteuil

roulant électrique. L'objectif est d'apporter une aide au pilotage des fauteuils roulants

électriques en utilisant des méthodes et technologies issues de la robotique mobile.

Le cahier des charges fixé par l’unité de recherche METS est de :

Etudier la partie commande et la partie puissance du fauteuil existant.

Proposer les solutions matérielles et logicielles pour une commande performante du

fauteuil roulant électrique.

Implémenter des algorithmes de commande d’un fauteuil roulant électrique.

3. Généralité sur la robotique

3.1. Historique des robots

La robotique est issue des travaux effectués sur les automates, ancêtres des robots. Parmi les

premiers constructeurs d’automates, on peut citer Léonard de Vinci ou encore le mécanicien

français Jacques de Vaucanson, dont les tentatives de reproduction des fonctions vitales des

êtres humains (circulation, respiration et digestion) au moyen d’automates, notamment le

Joueur de flûte traversière (1737) ou le Canard digérateur (1738), font sensation au XVIIIe

siècle. Au XIXe siècle apparaissent les premières machines-outils, qui par leurs fonctions

peuvent être considérées comme les précurseurs des robots.



Le terme « robot » [S1] est introduit en 1920 par l’écrivain tchèque Karel Čapek dans sa pièce

de théâtre RUR (Rossum’s Universel Robots), comme illustre la figure 1.

Figure 1. Robot en 1920 "Rossum’s Universel Robots"

Ce terme, provenant du tchèque robot, « travail forcé », désigne à l’origine une machine

androïde capable de remplacer l’homme dans toutes ses tâches. Dans les années 1940 et 1950,

les progrès de l’électronique permettent de miniaturiser les circuits, ouvrant ainsi de nouvelles

voies à la fabrication de robots. Dans les premiers temps de la robotique, le robot est

considéré comme une imitation de l’homme, aussi bien fonctionnelle que physique.

Aujourd’hui, les constructeurs ne tentent plus de reproduire l’aspect humain sur un robot,

privilégiant avant tout sa fonctionnalité.

Les robots sont actuellement très répandus dans l’industrie, en particulier en construction

automobile et chez la plupart des fabricants d’ordinateurs. Capables d’effectuer rapidement

des travaux répétitifs, ils sont notamment utilisés dans les chaînes de fabrication et de

montage. Ils ont employé également dans des environnements difficilement supportables par

l’homme. L’industrie du nucléaire a ainsi largement contribué au développement de la

robotique (notamment dans la conception de bras télémanipulateurs).

3.2. Les différents types des robots mobiles

3.2.1. Robots militaires

Les robots militaires sont principalement utilisés pour la surveillance aussi bien dans les airs

que dans la mer. Les drones sont une sous-classe des robots militaires.

Des systèmes sont déjà actuellement en service dans un certain nombre de forces armées, avec

des succès remarquables, tel que le drone "Predator" [S2] qui est présenté dans la figure 2.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Drone



Figure 2. Exemple d'un robot militaire " le drone "Predator"

Afin d'assurer sa mission de reconnaissance et d'observation, le Predator est équipé de

différents capteurs :

Capteur électro-optique Versatron Skyball Model 1, opérant dans les bandes

visible et infrarouge. Ce capteur est équipé d'une tête mobile pouvant regarder à 360 degrés

sous le fuselage.

Capteur radar Westinghouse 783R234 à ouverture synthétique.

Transmission de données en temps réel par satellite.

3.2.2. Robots explorateurs

Les robots explorateurs remplacent l’homme dans des environnements difficiles.

On peut citer comme exemple, Mars Science Laboratory (MSL) [S3] est une mission

d’exploration de la planète Mars à l'aide d'une astomobile « Rover » (figure 3) développée par

le centre JPL de l'agence spatiale américaine de la NASA.

Figure 3. Principaux équipement et instruments du Rover

http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Versatron&action=edit&redlink=1

http://fr.wikipedia.org/wiki/Infrarouge

http://fr.wikipedia.org/wiki/Radar

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Northrop_Grumman_Electronic_Systems&action=edit&redlink=1

http://fr.wikipedia.org/wiki/Satellite_artificiel

http://fr.wikipedia.org/wiki/Jet_Propulsion_Laboratory

http://fr.wikipedia.org/wiki/Agence_spatiale

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89tats-Unis

http://fr.wikipedia.org/wiki/NASA



Le rover embarque 10 instruments scientifiques [S3]:

La caméra MASTCAM et CHEMCAM qui déterminent la composition des roches à

l'aide d'un laser, fournissent une première analyse chimique et géologique de

l'environnement.

le spectromètre à rayons X APXS et la caméra microscope MAHLI fournissent la

composition chimique et des images détaillées facilitant la sélection des échantillons à

analyser.

CheMin effectue l'analyse minéralogique.

SAM qui effectue l'analyse des éléments organiques et volatils.

la station météorologique REMS, le détecteur de particules énergétiques RAD qui

mesure les radiations qui parviennent jusqu'au sol.

Le détecteur de neutrons DAN chargé d'identifier la présence d'eau dans le proche

sous-sol et la caméra de l'étage de descente MARDI qui réalise avant l'atterrissage des

photos de la zone environnante.

3.2.3. Robots humanoïdes

Le terme humanoïde signifie « de forme humaine », il évoque principalement la bipédie, la

présence de deux bras et d'une tête. Il s'agit donc uniquement d'un critère phénotypique et plus

précisément morphologique, comme illustre la figure 4.

.

Figure 4. Exemple d'un robot humanoïde

Une des plus grandes innovations technologiques dans le domaine de la robotique est sans

doute de robot humanoïde Asimo [S4] (Avanced Step In Innovative Mobility) créé par Honda.

Ce robot est capable de modifier sa trajectoire en marchant, de monter et descendre des

http://fr.wikipedia.org/wiki/Laser

http://fr.wikipedia.org/wiki/Bip%C3%A8de

http://fr.wikipedia.org/wiki/Membre_sup%C3%A9rieur_humain

http://fr.wikipedia.org/wiki/T%C3%AAte_%28Anatomie%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ph%C3%A9notype

http://fr.wikipedia.org/wiki/Morphologie_%28biologie%29



escaliers, de reconnaître des visages et de comprendre la parole humaine. La plus récente

version d’Asimo peut courir à 6 km/h et peut aussi remplir la tâche de réceptionniste ou de

guide d’information.

Le 8 novembre 2011, Honda présente sa nouvelle version d'Asimo [S5]. Il est désormais

capable de courir à 9 km⋅h-1 de façon autonome et de s'adapter en partie à l'environnement.

Par exemple, il pourra éviter une personne marchant vers lui.

4. Généralité sur les fauteuils roulants électriques

4.1. Les origines du fauteuil roulant électrique

A partir des années 1950, sont apparus les premiers fauteuils roulants électriques à l’usage des

personnes souffrant de déficiences motrices sévères [18]. Cependant, le fauteuil roulant

manuel n’a pas été abandonné et son utilisation est restée très largement répandue comme en

attestent les résultats des enquêtes « H.I.D. » réalisées en France, où la prévalence des

utilisateurs de fauteuils roulants électriques et manuels dans la population générale était

respectivement de 5,4 et de 59 personnes pour 10000 habitants [16].

4.2. Descriptif du fauteuil roulant électrique

Les fauteuils roulants à propulsion par moteur électrique sont indiqués pour les personnes ne

pouvant se déplacer seules en fauteuil roulant manuel. Ils permettent de retrouver une

indépendance notamment au niveau des sorties, à l’extérieur du domicile.

La conduite du fauteuil s’effectue par commande électronique mais parfois l’utilisation d’une

commande spéciale est indispensable.

Il existe différents types de fauteuils qui sont présentés dans la figure 5.

Figure 5. Les différents types de fauteuils (A: Fauteuil d’intérieur, B: Fauteuil d’extérieur,

C: Fauteuil verticalisateur, D: Fauteuil à hauteur variable)



Fauteuil d’intérieur : Pliant, il est moins volumineux qu’un fauteuil d’extérieur. Notons

qu’il est cependant difficile et fatiguant pour la tierce personne de le plier. Son autonomie va

de 10 à 16 km et sa vitesse est réglable de 0 à 6 km/h. On peut le mettre dans le coffre d’une

voiture.

Fauteuil d’extérieur : Non pliant, il est plus volumineux. Son autonomie va de 16 à 45

km et sa vitesse est réglable de 0 à 10 km/h. Ce fauteuil nécessite un moyen de transport

adapté car on ne peut pas le mettre dans un coffre de voiture. Le diamètre de ses roues permet

de franchir des seuils ou des petits obstacles.

Fauteuil verticalisateur : La verticalisation permet de quitter la position assise pour se

placer en position verticale. Elle permet également de mieux appréhender l’environnement et

peut être important pour l’intégration sociale. Le fauteuil doit être équipé de cales genoux et

d’une sangle au niveau du tronc.

Fauteuil à hauteur variable : Permet de lever l’utilisateur en position assise. Tout

comme le verticalisateur il permet de mieux appréhender l’environnement et peut être

important pour l’intégration sociale. Certains fauteuils électriques peuvent combiner

verticalisation et hauteur variable en position assise.

4.3. Les Fauteuils roulants intelligents

4.3.1. Le projet de VAHM

Le projet VAHM (Véhicule autonome pour Handicapés Moteurs) [19] a pour but de proposer

aux personnes ayant un handicap physique lourd de se déplacer facilement. L’interface est

composée d’un bouton et d’un cadrant indiquant successivement huit directions de

déplacement, comme présente la figure 6. Lorsque l’utilisateur veut suivre une direction, il doit

attendre qu’elle s’affiche sur le cadran et presser le bouton à ce moment. Lorsqu’il relâche le

bouton, le fauteuil s’arrête et il faut choisir une nouvelle direction.

Ce système présente l’avantage de ne nécessiter qu’un seul type d’action de la part de

l’utilisateur, mais a l’inconvénient d’être lent et fastidieux. C’est pourquoi le fauteuil doit se

déplacer de la manière la plus autonome possible [8]. Pour cela, il est équipé de capteurs qui

collectent des données sur son environnement et d’agents réactifs qui lui permettent des

comportements simples (longer les murs, éviter les obstacles, etc.).



Figure 6. Le projet de VAHM

Lors de ce projet, un simulateur a été développé. Celui-ci permet de remplacer les

expérimentations avec un véritable fauteuil roulant par des expérimentations informatiques,

plus rapides, donnant des résultats sensiblement proches.

4.3.2. PROJET WAD « WHEELCHAIR ATTRACTOR DYNAMICS »

L‘architecture de commande du Projet WAD (Wheelchair Attractor Dynamics) [13] est

installée actuellement sur un fauteuil roulant électrique modèle CRUISER de chez

INVACARE qui est montré dans la figure 7. Ce fauteuil est équipé d‘un système DX de

base [3] (joystick et module de puissance), auquel nous avons rajouté le module DX Key,

qui permet un interfaçage aisé via le port parallèle d‘un ordinateur portable.

Figure 7. PROJET WAD « WHEELCHAIR ATTRACTOR DYNAMICS »



En mode manuel, le pilote impose au moyen du joystick des commandes de vitesse et de

direction qui sont transmises au module de puissance et à la motorisation via le bu s DX.

En mode automatique, les capteurs de proximité infrarouge et les codeurs incrémentaux

renseignent sur les contraintes de l‘environnement [9] , ainsi que sur l‘orientation et la

distance de la cible par rapport à la position courante du véhicule.

Ces informations proprioceptives (codeurs incrémentaux) et extéroceptives (capteurs de

proximité) permettent de calculer des commandes de vitesse et de direction qui sont

transmises au module de puissance via l‘interface DX Key sans avoir à manipuler le

joystick [4]. Le fauteuil atteint seul sa destination. A tout moment le pilote peut passer du

mode automatique au mode manuel et inversement.

5. Les capteurs

Nous présentons dans cette section les capteurs les plus couramment utilisés en robotique

mobile pour les besoins de la navigation.

5.1. Les capteurs proprioceptifs

Les capteurs proprioceptifs permettent une mesure du déplacement du robot [S6]. Ce sont les

Capteurs que l’on peut utiliser le plus directement pour la localisation, mais ils souffrent

d’une dérive au cours du temps qui ne permet pas en général de les utiliser seuls. Dans cette

classe des capteurs on trouve l’odométrie.

L’odométrie permet d’estimer le déplacement de la plateforme à partir de la mesure de

rotation des roues (ou du déplacement des pattes). La mesure de rotation est en général

effectuée par un codeur optique disposé sur l’axe de la roue, ou sur le système de transmission

(par exemple sur la sortie de la boite de vitesse pour une voiture), comme présente la figure 8.

Figure 8. Principe général de l'odométrie



Le problème majeur de cette mesure est que l’estimation du déplacement fournie dépend très

fortement de la qualité du contact entre la roue (ou la patte) et le sol. Elle peut être

relativement correcte pour une plate-forme à deux roues motrices sur un sol plan de qualité

uniforme, mais est en général quasiment inutilisable seule pour un robot à chenille [5] par

exemple. Pour limiter ce problème, il peut être intéressant de positionner le codeur optique sur

une roue non motrice qui glisser a moins. Notons cependant que l’erreur de ces méthodes se

retrouve en général principalement sur l’estimation de la direction du robot, tandis que la

mesure de la distance parcourue est souvent de meilleure qualité.

5.2. Les télémètres

Il existe différents types de télémètres, qui permettent de mesurer la distance aux éléments de

l’environnement, utilisant divers principes physiques.

5.2.1. Télémètres à ultrasons

Les télémètres à ultrason sont historiquement les premiers à avoir été utilisés. Ils utilisent la

mesure du temps de vol d’une onde sonore réfléchie par les obstacles pour estimer la distance

comme illustre la figure 9.

Figure 9. Principe du télémètre à ultrasons et exemple de télémètre réel.

Ces télémètres sont très simple et peu cher, et sont donc très répandus.

Ils possèdent une “zone aveugle”, de quelques centimètres, en dessous de laquelle ils ne

peuvent détecter les obstacles. Cette zone est due à une temporisation entre l’émission de



l’onde sonore et le début de la détection de l’onde réfléchie qui est nécessaire pour ne pas

perturber cette mesure.

La distance D entre le capteur et l’obstacle est :

(1)

Avec (V) la vitesse et (T) le temps de propagation de l’onde.

Les télémètres ultrason détectent les obstacles se situant dans un cône relativement large

(Angle au sommet d’environ 30 degrés). Cette caractéristique présente un avantage, car des

éléments relativement fins (les pieds de table ou de chaise par exemple) sont détectés dans ce

cône, alors qu’ils pourraient ne pas être détectés par des télémètres ayant un angle d’ouverture

très fin.

5.2.2. Télémètres à infrarouges

Les télémètres infrarouges possèdent l’avantage d’avoir un cône de détection beaucoup plus

restreint. Ils utilisent une lumière infrarouge au lieu d’une onde sonore pour la détection et

peuvent être basés sur différentes techniques qui permettent de recueillir plus ou moins

d’information.

Il est possible de mesurer simplement le retour ou le non-retour d’une impulsion codée, ce qui

permet de détecter la présence ou l’absence d’un obstacle dans une certaine portion de

l’espace. Il est également possible de réaliser une triangulation sur le faisceau de retour de

l’onde lumineuse, ce qui permet d’avoir une mesure de la distance de l’obstacle, comme

illustre la figure 10.

Figure 10. Principe du télémètre infrarouge à triangulation et exemple de télémètre réel

2

*VTD



Les inconvénients de ces télémètres sont liés à leur portée, en général relativement restreinte,

et à leur sensibilité aux sources de lumières qui contiennent un fort rayonnement infrarouge.

Un projecteur du type de ceux utilisés pour la télévision pointé sur le robot, par exemple,

sature en général complètement le récepteur et empêche toute détection d’obstacle. Ils sont

également très sensibles à la couleur et à la nature de la surface de l’obstacle (par exemple, ils

détectent difficilement les vitres et les obstacles noir mats).

5.2.3. Télémètres laser

Les télémètres les plus utilisés à l’heure actuelle pour des applications de cartographie et de

localisation sont les télémètres laser à balayage. Ils utilisent un faisceau laser mis en rotation

afin de balayer un plan, en général horizontal, et qui permet de mesurer la distance des objets

qui coupent ce plan comme montre la figure 11.

Figure 11. Illustration du principe de fonctionnement d’un télémètre Laser et un exemple de

Télémètre Laser à balayage, fournissant 720 mesure réparties sur 360 degrés, à 5Hz (marque

LBEO).

Cette mesure peut être réalisée selon différentes techniques soit en mesurant le temps de vol

d’une impulsion laser, soit par triangulation.

Les télémètres courants ont une bonne résolution angulaire car ils permettent d’obtenir une

mesure de distance tout les demi degrés, sur une zone de 180 ou 360 degrés selon les modèles.

La mesure est de plus relativement précise (avec un bruit de l’ordre de quelques centimètres)

à une distance relativement grande (plusieurs dizaines de mètres). La fréquence d’acquisition

est en général de l’ordre de la dizaine de Hertz, voire proche de la centaine pour certains

modèles.



5.3. Les capteurs photographiques

Un capteur photographique [S8] est un composant électronique photosensible servant à

convertir un rayonnement électromagnétique (UV, visible ou IR) en un signal électrique

analogique. Ce signal est ensuite amplifié, puis numérisé par un convertisseur analogique-

numérique et enfin traité pour obtenir une image numérique. Le capteur est donc le composant

de base des appareils photo numériques, l'équivalent du film en photographie argentique.

Deux grandes familles de capteurs [S9] sont disponibles : les CCD et les CMOS (figure 12).

Le capteur le plus répandu est le capteur CCD « Charge Couple Device ». A

l'origine, il a été développé pour des applications d'imagerie. Il délivre des courants assez

importants et requiert donc peu d'amplification. Malheureusement, il est très ‘gourmand’ en

énergie et il est assez coûteux à fabriquer.

La technologie CMOS est présente dans beaucoup de composants électroniques

informatiques (mémoires d'ordinateur par exemple), les capacités de fabrication sont donc

plus importantes et le prix moins cher. Ce type de capteur est également moins ‘gourmand’ en

énergie mais demande plus d'amplification, il a tendance à générer plus de bruit.

Il faut noter également que le capteur CCD est plus rapide que le capteur CMOS.

Figure 12. Les capteurs photographiques (A: capteur CCD, B: capteur CMOS)

5.4. Les caméras

L’utilisation d’une caméra pour percevoir l’environnement est une méthode attractive car elle

semble proche des méthodes utilisées par les humains et fournit une grande quantité

d’information sur l’environnement. Le traitement des données volumineuses et complexes

A B

http://fr.wikipedia.org/wiki/Composant_%C3%A9lectronique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Ultraviolet

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8re_visible

http://fr.wikipedia.org/wiki/Infrarouge

http://fr.wikipedia.org/wiki/Signal_%C3%A9lectrique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Analogique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Amplificateur

http://fr.wikipedia.org/wiki/Num%C3%A9risation

http://fr.wikipedia.org/wiki/Convertisseur_analogique-num%C3%A9rique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Convertisseur_analogique-num%C3%A9rique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Image_num%C3%A9rique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Appareil_photographique_num%C3%A9rique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pellicule_photographique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Photographie_argentique



fournies par ces capteurs est cependant souvent difficile, mais c’est une voie de recherche très

explorée et prometteuse pour la robotique.

5.4.1. Les caméras stéréoscopiques

Figure 13. Exemple de données fournies par des caméras stéréoscopiques.

Lorsque l’on dispose de deux caméras observant la même partie de l’environnement à partir

de deux points de vue différents, il est possible d’estimer la distance des objets et d’avoir ainsi

une image de profondeur, comme illustre la figure 13, qui peut être utilisée pour l’évitement

d’obstacle sou la cartographie. Cette méthode [14] suppose toute fois un minimum d’éléments

saillants dans l’environnement (ou un minimum de texture) et peut être limitée, par exemple

dans un environnement dont les murs sont peint de couleurs uniformes.

5.4.2. Les caméras panoramiques

Les caméras panoramiques (catadioptriques) sont constituées d’une caméra standard pointant

vers un miroir de révolution (par exemple un simple cône, ou un profil plus complexe qui peut

s’adapter à la résolution exacte que l’on veut obtenir sur le panorama), illustré dans la figure

14. L’image recueillie permet d’avoir une vision de l’environnement sur 360 degrés autour de

la camera. Le secteur angulaire vertical observé dépend de la forme du miroir et peut être

adapté aux besoins de chaque application, comme montre la figure 14.

Ce type de caméra est très pratique pour la navigation car une image prise par une camera

panoramique orientée verticalement permet de caractériser une position, indépendamment de

la direction du robot.

Ces caméras sont donc très pratiques lors que l’on caractérise une position de manière

globale, mais peuvent aussi être utilisées pour détecter des amers ou pour estimer le flux

optique.



Figure 14. Principe des caméras panoramiques catadioptriques,

Exemple d’image obtenue et illustration du flux optique.

6. Les solutions proposées

Après une étude bibliographique approfondie, on a proposés de réaliser une commande

intelligente pour un fauteuil roulant électrique en appliquant les algorithmes suivants :

Détection et évitement d’obstacle

Suivie de mur

Suivie de cible

Commande à distance via internet

Commande vocale

Commande par détection de mouvement facial



7. Conclusion

Ce chapitre a présenté les différents éléments d’une commande d’un fauteuil roulant

électrique intelligent en mode automatique, nous sommes intéressé tout d’abord aux robots

mobiles et leur classification. Ensuite, nous avons détaillés les critères de classification des

fauteuils roulants électriques.

Puis, nous avons effectué une synthèse des fameux fauteuils roulants électriques intelligents.

La dernière partie de ce chapitre est consacré à détailler les différents types des capteurs et des

caméras les plus utiliser en robotique.

Après une étude approfondie sur les robots mobiles en générale et une spécification sur les

fauteuils roulants électrique, on va effectuer dans le chapitre suivant la conception de la carte

de commande ainsi que le choix matériels et logiciels.



Chapitre 2

Conception et réalisation d’une carte de commande

d’un fauteuil roulant électrique



1. Introduction

Dans ce chapitre nous présentons tout d’abord les caractéristiques de notre fauteuil roulant

électrique. Nous décrivons le choix du fauteuil roulant électrique, la partie commande et la

partie puissance. Le point suivant va s’intéresser au deuxième volet du choix de matériels tels

que le microcontrôleur, les capteurs et l’installation de ces derniers. Nous aborderons ensuite

les différents logiciels qu’on va utiliser. Enfin nous conclurons ce chapitre par la description

de la carte de commande du fauteuil roulant électrique qu’on va réaliser.

2. Présentation de notre Fauteuil roulant électrique

2.1. Choix du fauteuil roulant électrique

Il existe différents critères pour choisir un fauteuil et de nombreux accessoires en fonction du

modèle retenu : La commande, L’assise, Le dossier, Les accoudoirs, Les repose-pieds, Les

roues, Les batteries, les accessoires, repose jambe, équipement de route, commandes

électriques, repose canne, protège vêtements, ceinture, monte trottoir, rallonge dossier [15].

Ces nombreux critères doivent être pris en compte. Le fauteuil doit être adapté à la

morphologie, et le positionnement étudié en fonction du handicap.

Le fauteuil est défini pour un usage à dominante intérieure ou au contraire extérieure. Le

choix s’effectue alors au niveau de deux catégories bien distinctes.

On a besoin d’un Fauteuil défini pour un usage à dominante intérieure, pour cela on a choisit

le fauteuil illustré dans la figure 15.

Figure 15. Caractéristiques techniques du notre fauteuil roulant électrique



2.2. Synoptique d’un fauteuil roulant électrique

Chaque plateforme mobile est constituée d’une partie mécanique et une partie électrique.

La partie mécanique représente la structure métallique et les actionneurs [17]. La partie

électrique présente les capteurs, les moteurs électriques, la carte de puissance et celle de

commande. Nous intéressons dans le synoptique suivant (figure 16) de la partie électrique qui

est constitué de :

Batterie : le fauteuil roulant électrique est alimenté par deux batteries 12 V

montées en série pour obtenir une tension de 24 V.

Boitier de commande et de contrôle : Elle est constituée d’un bouton

marche/arrêt pour mettre le fauteuil roulant sous tension ou hors tension, d’un bouton pour

augmenter la vitesse du fauteuil et d’un autre bouton pour diminuer cette vitesse, un

indicateur de l’état de batterie, un indicateur de la vitesse utilisée, un système de détection

d'erreurs et un klaxon fonctionne tant que la touche est enfoncée. Tout incident constaté dans

Figure 16. Synoptique du fauteuil roulant éclectique

Batterie 24V

Réducteur

Alimentation 5V

Roue gauche

Moteur gauche

Carte de

commande

Carte de

puissance

Moteur Droite

Réducteur

Roue droite

Boitier de

commande

Bouton

Marche/arrêt

De joystick

Indicateur

charge de

batterie

(Bargraph)



l’électronique est signalé sur l’unité de commande et, si nécessaire, le fauteuil roulant est mis

hors tension pour des raisons de sécurité.

Une carte de commande

Une carte de puissance

Deux motoréducteurs (24V/200W/140rpm)

Joystick

2.2.1. Principe de fonctionnement du joystick

Un joystick est une sorte de potentiomètre double [2]. Les déplacements des axes donnent des

tensions analogiques (figure 17). Une variation de la tension dans l’axe X donne un

déplacement du fauteuil vers la droite ou gauche, et une variation dans l’axe Y donne un

déplacement vers l’avant ou l’arrière (figure 17). Le point de repos au milieu des axes indique

l’arrêt du fauteuil.

Figure 17. Les tensions analogiques fournie par Joystick sur les axes X et Y

Le principe de fonctionnement du joystick est expliqué plus clairement dans l’organigramme

de la figure 18.



Figure 18. Organigramme simplifié du fonctionnement du joystick

2.2.2. Extractions des signaux délivrés par le joystick

Le joystick donne des tensions analogiques variables sur l’axe X et l’axe Y qui permet de

déterminer le sens de déplacement du fauteuil roulant électrique, nous avons visualisé ces

signaux sur un oscilloscope numérique branché avec un pc. Nous présentons par la suite

quelques signaux délivrés par le joystick.

La figure 19 et la figure 20 présentent respectivement des tensions continues délivrées par le

joystick lorsque le potentiomètre est orienté vers l’avant puis vers la gauche.

Début

Mesure des tensions

sur l’axe X et Y

Y=2.5V

X=1.1V

Y=1.1V

Non

Non

Non

Non

Y=3.9V

X=3.9V

X=2.5V

Fauteuil tourne à

gauche

Fauteuil tourne à

droite

Fauteuil recule

Fauteuil avance

Fauteuil en repos

Oui

Oui

Oui

Oui

Oui

Oui



Figure 19. Signal délivré par le joystick à l’état « avant »

Figure 20. Signal délivré par le joystick à l’état « gauche »



2.2.3. Partie commande de la carte

La partie commande a pour rôle d'effectuer le dialogue entre le potentiomètre de joystick

qui délivre des signaux continu variables sur l’axe X ou Y suivant la direction du fauteuil

roulant électrique, et les moteurs.

Figure 21.Partie commande de la carte

Cette carte est munie d’un ASIC (circuit intégré spécialisé) qui génère des commandes à

appliquer aux moteurs à travers la carte de puissance.

Elle joue aussi le rôle d’un contrôleur, on cite quelques exemples d’erreurs qu’on peut les

rencontré dans le tableau 1.

Tableau 1. Liste des erreurs

Indication d’erreurs Explications d’erreurs

Tension de la batterie faible

La batterie doit être rechargée ou il ya une mauvaise connexion à

la batterie.

Moteur gauche Déconnecté Le moteur gauche a une mauvaise connexion. Il faut vérifier les

connexions entre le moteur gauche et le joystick.

Défaut du moteur gauche

Le moteur gauche a un court-circuit à une batterie. Il faut vérifier

les connexions entre le moteur gauche et la batterie

Moteur droite Déconnecté Le moteur droite a une mauvaise connexion. Il faut vérifier les

connexions entre le moteur droit et le joystick.

Défaut du moteur droit

Le moteur gauche a un court-circuit à une batterie. Il faut vérifier

les connexions entre le moteur gauche et la batterie

Chargeur Connecté

Le fauteuil roulant est empêché de conduire parce que le

chargeur de batterie est connecté.

Indicateur charge

de batterie

Indicateur de

vitesse

Connecteur entre

la carte et le

potentiomètre de

joystick

Asic Connecteur du

moteur droit

Connecteur du

moteur gauche



2.2.4. Partie puissance de la carte

La partie puissance joue le rôle d'une carte d'interface entre la carte de commande et la partie

motrice comportant des composants mécaniques, elle nous permet de commander les moteurs

à courant continu suivant les ordres fournis par la carte de commande pour permettre au

fauteuil roulant électrique de se déplacer.

Figure 22. Partie puissance de la carte

Nous utilisons des moteurs à courant continu dont la vitesse de rotation (donc la vitesse du

fauteuil roulant électrique) est proportionnelle à la tension d'alimentation. Il va donc falloir

être capable de produire une tension variable et commandable.

Pour cela, notre carte de puissance est composée de deux ponts en H, chaque pont est

constitué de quatre transistors qui travaillent comme des interrupteurs pour piloter les deux

moteurs et permettent d'obtenir quatre états selon la façon dont ils sont commandés, ce

principe est représenté par la figure 23.

Figure 23. Commande du moteur par pont en H

Deux pont H pour

les deux moteurs

Relais



Le sens de rotation du moteur est obtenu selon l’état des quatre transistors, le tableau 2

présente les différents états du moteur.

Tableau 2. Sens de rotation du moteur selon l’état des transistors

In1 In2 Q1 Q2 Q3 Q4 Etat moteur

0 0 Saturé Saturé Bloqué Bloqué Arrêt

0 1 Saturé Bloqué Bloqué Saturé Sens1

1 0 Bloqué Saturé Saturé Bloqué Sens2

1 1 Bloqué Bloqué Saturé Saturé Arrêt

2.2.5. Description des signaux PWM

PWM veut dire Pulse Width Modulation ou en français MLI pour Modulation à Largeur

d'Impulsion. Le but du PWM est de permettre d'avoir une tension continue variable à partir

d'une source de tension continue fixe. La période du PWM - Temps d'enclenchement et de

déclenchement est présentée dans la figure 24 :

Figure 24. Signal PWM

Grace à l'utilisation des transistors, nous pouvons choisir de connecté notre charge (notre

moteur) à la source de tension continue ou le la déconnecter de cette source. Nous

définissions ainsi 3 choses :

La période T du PWM. Nous parlons plutôt de fréquence du PWM (l'inverse de la

période). La fréquence du PWM est environ de 20kHz.

Le temps d'enclenchement.

Le temps de déclenchement.

2.2.5.1. Taux du PWM

La tension moyenne vue par la charge est donc dépendante du rapport entre temps

d'enclenchement et temps de déclenchement, nous parlons de Taux du PWM, donné

habituellement en %, comme illustre la figure 25.



Pour l'exemple montré avec 24 Volts, le PWM nous permet donc de balayer toute la plage de

0V (taux de 0%) à 24V (taux de 100%) et ainsi avoir une source variable de 0 à 24 V.

Le PWM se caractérise par :

La période PWM :

Tpwm = Te + Td (2)

Le rapport cyclique d'impulsion α (Duty cycle) :

α=

(3)

Figure 25. L’allure de la tension moyenne

2.2.5.2. Allure du courant

Notre charge étant un moteur (circuit R-L), le courant monte et descend donc de façon

exponentielle à chaque enclenchement et déclenchement.

Evidemment plus la fréquence du PWM est élevé moins le courant "oscillera" autour de sa

valeur moyenne, comme présente la figure 26.

Figure 26. L'allure du courant

2.2.5.3. Extractions des signaux PWM

Dans notre travail, nous avons visualisé les signaux envoyés vers les moteurs sur un

oscilloscope numérique branché avec un pc. Nous présentons dans les schémas ci dessous

quelques signaux PWM envoyés vers les moteurs.



Nous visualisons, par exemple, dans les deux figure 27 et 28, respectivement, le signal du

moteur droit et celle du moteur gauche lorsque le potentiomètre du joystick est orienté vers la

droite, ainsi que les caractéristiques des mesures obtenus de ces signaux.

Figure 27. Signal du moteur droit lorsque le fauteuil tourne à droite

Figure 28. Signal du moteur gauche lorsque le fauteuil tourne à droite



Nous présentons aussi dans les deux figure 29 et 30, respectivement, le signal du moteur droit

et celle du moteur gauche lorsque le potentiomètre du joystick est orienté vers la gauche puis

vers l’arrière.

Figure 29. Signal du moteur droit et du moteur gauche lorsque le fauteuil tourne à gauche

Figure 30. Signal du moteur droit et du moteur gauche lorsque le fauteuil recule en arrière

2.2.6. Les motoréducteurs

Le Moteur de pilotage est de (24V). Il est conçu spécifiquement pour les fauteuils roulants

électriques. Le moteur intègre un système de freinage. Le frein de parc et les brosses sont

protégés par un abri métallique. Un levier facilement opéré sur le réducteur permet le

dégagement des engrenages et pour basculer en mode pousser manuel de la chaise.

Généralement ces moteurs sont caractérisés par leur tension de fonctionnement, leur

puissance et leur vitesse (24V/200W/140rpm). Les deux moteurs du fauteuil roulant

électrique sont pilotés par la carte de puissance, la figure 31 présente un moteur à courant

continu associé à un motoréducteur du fauteuil.



Figure 31. Moteur à courant continu associé à un motoréducteur du fauteuil

3. Choix de matériels

3.1. Choix du microcontrôleur

On doit choisir un microcontrôleur qui s’adapte mieux à notre travail. Pour choisir un

microcontrôleur il faut savoir: le nombre de convertisseurs analogique numérique, le nombre

de pattes qu’on a besoin, les bus utilisés (I2C, RS232, USB…), la mémoire programme (pour

sauvegarder le programme), la mémoire RAM (pour le calcul que le microcontrôleur doit les

effectuer), la mémoire EPROM (si on a besoin que certaine données soient sauvegardées si

l'alimentation se coupe), le prix de microcontrôleur, l’existence de microcontrôleur désiré

dans le marché. La figure 32 présente le brochage de Pic 16F877 qu’on a choisi.

Figure 32. Brochage du Pic 16F877



On a choisit le Pic 16F877 car il contient 8 convertisseurs analogique numérique et les bus

I2C et RS232. Ce microcontrôleur est moins chair par rapport aux autres.

3.2. Choix des capteurs de distance

Dans notre projet on a besoin des capteurs de distance qui assurent la détection d’obstacle et

la variation de l’altitude pour cela on a étudié les différents types des capteurs.

Notre attention s’est essentiellement portée sur deux types de technologies : l’Infrarouge et

l’Ultrason. Chacune de ces technologies ayant ses avantages et ses inconvénients. Coté

Infrarouge, les avantages sont la rapidité de la mesure et le faible angle de détection (qui peut

aussi devenir un inconvénient si l’on veut balayer un large espace avec des capteurs fixes.), en

revanchent ils sont sensibles à l’éclairement et à la couleur des objets, même si on arrive

maintenant à avoir des capteurs qui permettent à peu près de ne pas en tenir compte. Ils ont

aussi une caractéristique de réponse pas forcément linéaire, ce qui rend la conversion de la

mesure plus difficile.

Le choix des capteurs dépend de ces caractéristiques :

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 capabilité de répétabilité d'une information position,

d'une vitesse, etc.

3.2.1. Choix des capteurs ultrasons

Il ya différents types des capteurs ultrasons :

3.2.1.1. Lego Mindstorms NXT

Ce capteur est caractérisé par une gamme de détection entre 0 et 255 cm avec un écart de +/- 3

cm, sa résolution d’environ 6cm, il communique à les microcontrôleurs à travers bus

interface I2C. Les quelques limitations qui ont pu être relevées sur ce capteur sont :



Les mesures inférieures à 3 cm ne peuvent être effectuées. Cela correspond au problème du

temps de retour nécessaire de l’onde. Les mesures jusqu’à 20 cm sont relativement assez

précises dans un angle compris entre -8° et +30°. En effet, le récepteur est à gauche et

l’émetteur est à droite, ce qui explique que les mesures effectuées à gauche sont moins

précises que les mesures effectuées à droite. Ce capteur est très chair (à l’environ de 280 $).

3.2.1.2. Vex Robotics

Le capteur montré dans la figure 33 est caractérisé par sa fréquence d’émission 40 KHz, il

mesure une distance entre 3 centimètres et 3 mètres et leur durée d’impulsion est 250

millisecondes.

Ce capteur nécessite le kit de programmation Robot C qui est inclus dans les kits vendus sur

Génération Robots. Il est programmé seulement par le microcontrôleur VEX [10].

Figure 33.Capteurs Ultrason VEX ROBOTICS avec leur Kit « VEX »

3.2.1.3. Paralax

Les principales caractéristiques techniques du capteur présenté dans la figure 34 sont la

mesure de distance entre 2 centimètres et 3,3 mètres, l’erreur moyenne inférieure à 0,5

centimètre [11].

Figure 34. Capteur ultrason PARALLAX

3.2.1.4. Maxbotix « MaxSonar-EZ1 »

Les spécifications du sonar minuscule donnent une distance scannée de 0 à 6,45 mètres, et la

sortie du capteur peut être choisie : série, analogue, ou PWM.

http://www.generationrobots.com/capteur-ultrason-parallax-pour-boe-bot-parallax,fr,4,Ping_ultrasonic_range_Finder_280.cfm



Pour le cône maximal, plus difficile d'obtenir des infos car le constructeur déclare qu'il

dépend du calibrage. En générale, l'angle maximal se rapproche de 30°.

3.2.1.5. Module télémètre ultrason « SRF08 »

Le module illustré dans la figure 35, idéalement conçu pour les applications liées à la

télémétrie et à la robotique en général, est capable de déterminer la distance qui le sépare d'un

obstacle se présentant devant lui (entre 3 cm et 6 m). Doté de deux cellules ultrason, son

principe de fonctionnement repose sur celui des "sonars" [S7].

Figure 35. Module télémètre ultrason « SRF08 »

Il s'interface à l'aide de son bus I2C et se pilote à la manière d'une mémoire EEPROM type

24xx. Ce dernier peut vous retourner la valeur de la distance en "Cm", en "Inch" ou sous

forme d'une durée (en µs) liée à l'écho de l'émetteur ultrason. A noter enfin qu'il vous sera

possible d'adresser jusqu'à 16 modules différents par le bus I2C [12].

Les objets sont détectés par un phénomène d’écho. Avec ce capteur vous pouvez mesurer

jusqu’à 17 échos différents (le premier écho correspond à l’objet le plus près). Les distances

des échos sont codées sur 16 bits, c’est pourquoi il y a deux registres de 8 bits, le LSB

correspondant aux bits de poids faible et le MSB aux bits de poids fort.

Caractéristiques techniques du capteur ultrason « SRF08 »

alimentation : +5Vcc.

fréquence : 40 Khz.

Communication par Bus I2C

consommation : 3mA au repos, 15mA en marche.

distance minimale : 3cm.

distance maximale : 6m.



dimensions : 43 x 20 x 17mm.

angle de détection: 45 ° environ comme illustre-la figure 36.

Figure 36. Plage de détection du capteur « SRF08 »

Après une étude sur les capteurs ultrasons, nous avons choisi le module télémètre ultrason

« SRF08 » car il possède un microcontrôleur capable de fournir des données en

microsecondes, en millimètres ou en pouces. Il est caractérisé par une grande plage de

détection (environ 45°, montré dans la figure 36), il consomme moins d’énergie, flexible pour

l’adaptation à l’application.

3.2.2. Choix des capteurs infrarouges

On a besoin pour notre travaille un capteur infrarouge qui nous permet de mesurer la

variation de distance entre le fauteuil roulant électrique et le sol. On a choisit le Capteur

GP2D12 illustré dans la figure 37.

Figure 37. Capteur de distance infrarouge "GP2D12"

Le capteur GP2D12 est un télémètre analogique qui permet la détection d'obstacles à

l'aide d'infrarouge. L'infrarouge a cette propriété particulière qu'il réfléchit sur des

obstacles. Sur la face du capteur, une photodiode se trouve à coté du LED qui émet

l'infrarouge. La photodiode fait varier le voltage en sortie (Vo) par rapport à la quantité de

lumière infrarouge qui est captée par le capteur. Le capteur GP2D12 utilise le principe de



triangulation (plus l’objet est éloigné, plus l’angle de réflexion augmente) La mesure de

distance de GP2D12 varie entre 10 cm et 80 cm. La valeur du signal n’est pas linéaire en

fonction de la distance mesurée. La figure 38 présente le principe de triangulation ainsi

que l’allure de la tension de sortie en fonction de la distance mesurée.

Figure 38. Principe de fonctionnement de GP2D12

4. Choix d’installation des capteurs

Dans la recherche bibliographique, on a trouvé un modèle classique d’installation des capteurs

[8]. Ce modèle consiste à installer les capteurs ultrasons sur une ceinture comme illustre la

figure 39.

Figure 39. Modèle classique d'installation des capteurs Ultrason « Ceinture des capteurs »



Ce modèle a deux inconvénients principaux :

difficulté de descente et monter de l’handicapé.

les capteurs ne détectent plus un petit objet posé au sol.

Pour cela, on a proposé un nouveau modèle d’installation des capteurs ultrasons et infrarouges

(figure 40) pour surmonter les problèmes rencontrés dans l’ancien modèle.

Figure 40. Nouveau modèle d’installation des capteurs Ultrason

On va utiliser huit capteurs ultrason « SRF08 » : quatre capteurs en avant, deux capteurs à

coté l’un à droite et l’autre à gauche et les restes sont placés en arrière, comme illustre la

figure 40.

Tous les capteurs ultrason sont fixés sur deux tiges latérales.

Concernant les capteurs de distance infrarouge « GP2D12 », on va placer quatre capteurs :

deux en avant au dessous de repose-pied et les autres en arrière, afin d’éviter les chutes dans

l’escalier.

5. Logiciels et bibliothèques utilisées

En cours de notre projet, on a besoin d’utiliser divers logiciels suivant l’étape et

l’application (figure 41) :

Pour étudier la conception de notre carte de commande et tester leur fonctionnement,

on a utilisé « Proteus ISIS », « PIC C Compiler » et « Eagle ».



Pour réaliser nos algorithmes de commande, on a utilisé les logiciels et les

bibliothèques suivants (figure 41) :

Visual Basic .Net est un langage de programmation à la syntaxe similaire à celle

de Visual Basic 6. Néanmoins, ces deux langages sont assez peu comparables dans la pratique

tant l'évolution entre ceux-ci est énorme. VB.NET permet de développer en .Net via Visual

Studio, c'est-à-dire seulement sur les systèmes d'exploitation Windows (98, 2000, XP, 7,

Vista). Il est important de rappeler que tout programme VB.NET est compilé dans le même

langage intermédiaire (IL) que C# ou tout autre langage de la plateforme DotNet.

Pour la commande par la détection de mouvement facial, on à utiliser des bibliothèques de

reconnaissance facial de OpenCV, on a intégré cette bibliothèque dans notre programme en

utilisant C Sharp.

Le C# (C Sharp) est un langage de programmation orienté objet à typage fort, créé

par la société Microsoft, et notamment un de ses employés, Anders Hejlsberg, le créateur du

langage Delphi.

OpenCV (Open Vision Library Computer Source) [6] est une bibliothèque de fonctions de

programmation principalement destiné à temps réel la vision par ordinateur.

Les domaines d'application d’OpenCV sont les suivants: Boîtes à outils métrages 2D et 3D,

Egomotion estimation, Système de reconnaissance faciale [1], Reconnaissance des gestes,

Interaction homme-machine (IHM), Robotique mobile, Compréhension de mouvement,

Identification de l'objet, Segmentation et reconnaissance, Stereopsis vision stéréo: perception

de la profondeur de 2 caméras, Structure du mouvement (AFD), Le suivi de mouvement.

Figure 41. Les logiciels et les bibliothèques utilisés



6. Synoptique de plateforme de commande en se basant sur les capteurs

Nous pouvons observer sur la Figure 42 que le module de commande reçoit les données,

d’une part du joystick en mode manuel (interrupteur ouvert) et d’autre part de l’algorithme de

commande en mode automatique (interrupteur fermé). Pour ce dernier mode, et après une

étude des différents composants constituant le système et les objectifs envisagés, nous avons

décidé de réaliser une navigation autonome et semi-autonome du fauteuil roulant électrique

avec différents types de commande.

Nous commençons en premier lieu d’acquérir les informations des différents capteurs

(capteurs ultrasons et capteurs infrarouges), de traiter ces informations selon l’emplacement

de chaque capteur puis faire un algorithme de commande qui permet de gérer ces

informations et d’envoyer les ordres au moteurs afin de se déplacé automatiquement en

évitant les obstacles.

Figure 42.Synoptique de plateforme de commande en se basant sur les capteurs

En deuxième lieu, nous avons pensés à commandé le fauteuil roulant électrique par d’autres

méthodes tel que la commande à distance via internet, la commande vocale, la commande par

détection de mouvement facial, qui seront décrits en détails dans le chapitre suivant.

Utilisateur

Joystick

Module de

commande

Module de

puissance

Moteurs du

fauteuil

Capteurs

Ultrasoniques

Environnement

Algorithme de commande du

fauteuil roulant électrique

Pic16F877

Interrupteur

Capteurs

Infrarouges



7. Conception de la carte de commande du fauteuil roulant électrique

Pour la conception de notre carte de commande, nous avons utilisé le logiciel de CAO eagle

qui permet le saisie des schémas et la création de typons. La figure 43 présente le schéma de

notre carte de commande qui comporte différents composants électroniques, parmis ces

composants, le pic 16F877 qui possède des convertisseurs analogiques/numériques qu’on les

a utilisé pour convertir les tensions analogiques provenant des capteurs infrarouges, il possède

aussi un bus I2C sur lequel on a monté tout les capteurs ultrasons à la fois à condition de

modifier l'adresse de chaque capteur ultrason « SRF08 » avant de l’utiliser. Pour celà, on a

modifié l’adresse de chaque capteur qui contient par défaut l’adresse 0xE0.

Figure 43. Schéma de la carte de commande



le schéma de la figure 43 contient aussi un circuit integré s’appelle UL2803 qui comporte huit

transistors NPN darlington dans un même boîtier à 18 broches. Ce type de circuit est idéal dès

l'instant où il s'agit de commander un ensemble de plusieurs relais, il comporte aussi des

diodes internes, qui sont reliées entre chaque sortie et un point commun accessible sur la

broche 10 du boîtier, permettent de se passer des diodes externes de protection normalement

requises quand on pilote un relais ou autre charge inductive.

Parmis les autres composants, il y a des relais qu’on les a utilisés comme des interrupteurs

pour activer ou désactiver les moteurs, des potentiomètres pour ajuster la tension necessaire

demandé par les moteurs, un régulateur de tension 7805 qui permet de fournir une tension

constante de 5v environ , et un circuit max232 qui permet de réaliser des liaisons RS232 vers

des circuits TTL.

Pour la génération du typon (figure 44) de la carte, on a utilisé le logiciel de placement et

routage eagle, et on a opté pour un routage automatique des pistes puis une amélioration

manuelle de ce routage.

Figure 44. Typon de la carte de commande

Après l’élaboration du typon, on a passé à la réalisation de la carte de commande pour notre

fauteuil roulant électrique comme illustre la figure 45.



Figure 45. Réalisation de la carte de commande

8. Conclusion

Ce chapitre a présenté les caractéristiques de notre fauteuil roulant électrique, nous sommes

intéressé tout d’abord au choix du fauteuil roulant électrique et à la description de la partie

commande et la partie de puissance. Ensuite, nous avons détaillés le choix de matériels tels

que le microcontrôleur, les capteurs et l’installation de ces derniers. Nous avons effectué dans

la deuxième partie de ce chapitre le choix des logiciels.

La troisième partie de ce chapitre est consacré à détailler la description de la carte de

commande du fauteuil roulant électrique qu’on a réalisé.

Après l’étude et la conception de la commande intelligente du notre fauteuil roulant

électrique, nous décrirons dans le chapitre suivant les différents algorithmes de commande

qu’on va implémenter et la réalisation des différents interfaces.

PIC 16F877 ULN2803

Les relais

Les potentiomètres

Max 232

RS232 « DB9

Femelle »



Chapitre 3

Implémentation des différents algorithmes de

commande



1. Introduction

Dans ce dernier chapitre nous allons nous intéresser tout d’abord au différents techniques de

navigation en se basant sur les capteurs de distance Ultrason « SRF08 » et infrarouge

« GP2D12 ». On va commencer par les plus simples algorithmes tels que la détection

d’obstacle, suivie de mur et suivie de cible. Nous aborderons ensuite les algorithmes de

commande les plus évolués : commande à distance via internet, commande vocale et on va

conclure avec la commande par détection de mouvement facial pour notre fauteuil roulant

électrique.

2. Communication entre le capteur « SRF08 » et l’HyperTerminal

Pour assurer la communication entre le capteur de distance ultrason «SRF08 » et

l’HyperTerminal, on a branché le capteur au microcontrôleur à travers le bus I2C. Ce

microcontrôleur traite les informations acquises et les envoyer au Pc portable en passant par le

Max232, comme illustre-la figure 46.

Figure 46. Communication entre le capteur SRF08 et l’HyperTerminal

Après garantir la communication entre le capteur ultrason «SRF08 » et l’HyperTerminal, on

peut contrôler la variation de distance d’obstacle par rapport au capteur (figure 47).

Figure 47. Affichage de distance du capteur ultrason « SRF08 » par l’HyperTerminal

Capteur ultrason

SRF08

Microcontrôleur

16F877 Max232

Pc Portable

« HyperTerminal »



3. Installation des capteurs sur le fauteuil roulant électrique

On a positionné les capteurs ultrasons et infrarouges comme présente la figure 48 :

D2

Figure 48. Positionnement des capteurs

D1, D2, D3 et D4 sont respectivement les plages de détection des capteurs

ultrasons « SRF08 » C1, C2, C3 et C4.

G1 est l’altitude entre le capteur infrarouge GP2D12 qui est installé sous le

repose-pied et le sol.

Cette technique d’installation des capteurs présente les avantages suivant :

Faciliter l’utilisation du fauteuil roulant.

Eviter les chutes du fauteuil roulant électrique dans l’escalier.

La sécurité et la liberté totale.

Rend ce fauteuil roulant très complet et adapté aux patients présentant des

déficiences motrices sévères.

D1 D2 D3 D4



4. Détection et évitement d’obstacle

Initialement, le fauteuil roulant électrique avance tant qu’il ne détecte pas d’obstacle.

Si un obstacle est détecté, le fauteuil roulant électrique tourne pour éviter l’obstacle puis

avance de nouveau jusqu’au prochain obstacle. Ce principe est présenté dans la figure 49.

Figure 49. Principe général d'évitement d'obstacle

Soit D1, D2, D3, D4 et G sont respectivement les distances entre l’obstacle et les capteurs C1,

C2, C3, C4 (capteurs ultrasons) et le capteur infrarouge GP2D12.

En mode automatique, l’unité de commande commence par l’acquisition des mesures des

capteurs ultrasons et infrarouges. Puis on fait un test sur ces mesures. S’il n’existe pas

d’obstacle en face du fauteuil (D1&&D2>90cm, D3&&D4>45cm, G<15cm) il avance tout

droit puis de nouvelles mesures vont être acquises depuis les capteurs. S’il n’existe pas encore

d’obstacle, il continue à avancer, mais s’il ya détection par le capteur C3, le fauteuil tourne à

gauche jusqu'à ce qu’il ne détecte aucun obstacle par le capteur C3, puis il continu à avancer.

Sinon, s’il y a détection par le capteur C4, le fauteuil tourne à droite jusqu'à ce qu’il ne détecte

aucun obstacle par le capteur C4, puis il continu à avancer. Si un obstacle est détecté à une

distance de 90cm par le capteur ultrason D1 ou D2 le système de commande change la

direction vers la côté la plus libre (si D3>D4 le fauteuil tourne vers la droite jusqu'à ce qu’il

ne détecte pas avec les capteurs C1et C2 sinon il tourne à gauche jusqu'à ce qu’il ne détecte

aucun obstacle par les capteurs C1 et C2).

Si l’un des capteurs infrarouges GP2D12 détectent que l’altitude est supérieure à 15 cm le

fauteuil recule puis il choisi une autre direction. La priorité sera toujours donnée aux capteurs

GP2D12.

Le principe de détection et évitement d’obstacle est présenté dans l’organigramme de la figure

50.



Figure 50. Organigramme de détection et évitement d'obstacle

5. Suivie de mur

Le fauteuil roulant électrique est également capable de suivre des murs situés sur sa gauche ou

sa droite en contrôlant la distance du capteur latéral respectif et le mur.

Le principe général de cet algorithme consiste à suivre le mur le plus proche du fauteuil

roulant électrique et repérer leurs déformations à travers les capteurs ultrason « SRF08 ».

En effet, le fauteuil commence à chercher un mur puis il le suit, s’il détecte un obstacle le

long de son parcours, il l’évite puis il continu à avancer.

La figure 51 présente un exemple réel de suivie de mur.

Début

Lecture de distance en cm

de chaque capteur ultrason

D1, D2, D3, D4 et G

Avant

Gauche

D3, D4>45

D1, D2>90

G<15

D1, D2>90

D3<45< D4

G<15

D3, D4>45

D1, D2>90

G>15

D4>D3>45

D1, D2<90

G<15

D1, D2>90

D3>45> D4

G<15

D3>D4>45

D1, D2<90

G<15

D3, D4<45

D1, D2<90

G<15

Gauche Droite

Droite

Stop

Arrière puis gauche

ou droite



Figure 51. Exemple de suivie de mur

Initialement, l’unité de commande commence par l’acquisition des mesures des capteurs.



GP2D12.

Si (D1&&D2>100cm) et (70cm <D3<D4), le fauteuil cherche un mur à droite jusqu'à ce que

D3 devient entre 50cm et 70 cm puis il avance, s’il détecte ensuite un obstacle avec le capteur

C1 ou C2 (D1<100 ou D2<100), il tourne à gauche sinon s’il détecte avec tout les capteurs il

s’arrête.

Si (D1&&D2>100cm) et (70cm <D4<D3), le fauteuil cherche un mur à gauche jusqu'à ce que

D4 devient entre 50cm et 70 cm puis il avance, s’il détecte ensuite un obstacle avec le capteur

C1 ou C2 (D1<100 ou D2<100), il tourne à droite sinon s’il détecte avec tout les capteurs il

s’arrête.

Le principe de suivie de mur est présenté d’une façon plus simple dans l’organigramme de la

figure 52.



Figure 52. Organigramme de suivie de mur

6. Suivie de cible

Le principe général reste toujours le même (figure 53), le fauteuil roulant électrique avance

tant qu’il détecte la cible en face. Si la cible change la direction, le fauteuil roulant tourne

Lecture de distance en cm de chaque capteur

ultrason D1, D2, D3 et D4

Début

D1>100

D2>100

D3>70

D4>70

D1>100

D2>100

D3>70

D4>70

D3>D4

D1>100

D2>100

D3>70

D4>70

D3<D4

D1<100

D2<100

D3<70

D4<70

D1, D2>100

70>D3>50

D4>70

D1, D2>100

70>D4>50

D3>70

D1ou D2<100

70>D4>50

D3>70

D1ou D2<100

70>D3>50

D4>70

Stop

Stop Stop

Avant Avant

Droite Gauche

« Droite »

cherche un mur à

droite

« Gauche »

cherche un mur à

gauche



pour suivre la cible, puis avance de nouveau jusqu’au prochain changement de direction de

cible.

Figure 53. Principe général de suivie de cible avec un exemple réel

On a choisi une distance raisonnable entre la cible et chaque capteur pour que le fauteuil

roulant décide la direction de navigation.

Notre algorithme est comme suit :

Soit D1, D2, D3 et D4 sont les distances entre la cible et les capteurs C1, C2, C3 et C4

respectivement.

Au début, on suppose que la cible est absent (D1D2>120 cm et D3D4 >70 cm)

Si (120>D1D2>70 cm) et (D3D4 >70 cm) alors la cible présent en face, le fauteuil roulant

électrique se déplacent en avant.

Sinon (120>D1D2>70 cm), (D3<70 cm) et (D4 >70 cm) alors la cible présent en avant-

droite, le fauteuil roulant électrique se déplacent à droite.

Sinon (120>D1D2>70 cm), (D3>70 cm) et (D4 <70 cm) alors la cible présent en avant-

gauche, le fauteuil roulant électrique se déplacent à gauche.

Sinon (D1D2<70 cm) alors la cible présent et il s’arrête, le fauteuil roulant électrique s’arrête.

Sinon la cible est absente.





GP2D12.

Cet algorithme est montré d’une façon plus simplifié dans la figure 54.

Figure 54. Organigramme de suivie de cible

Début

Cible absent

D3, D4>70

D1, D2>120

Lecture de distance en Cm

de chaque capteur ultrason

D1, D2, D3 et D4

D3>70

120>D1D2>70

D4>70

D3<70

120>D1D2>70

D4>70

D3>70

120>D1D2>70

D4<70

D1D2<70

« Avant »

Cible présent

en face

« Droite »

Cible présent à

droite

« Gauche »

Cible présent à

gauche

« Stop »

Cible s’arrête



7. Synoptique de commande intelligente du fauteuil roulant électrique

La figure 55 présente le synoptique de commande (ajout d’un micro et d’une webcam).

Figure 55. Synoptique de commande intelligente du fauteuil roulant électrique

8. Commande à distance via internet

Pour assurer la commande à distance via internet du fauteuil roulant électrique, on à besoin de

suivre les étapes montrer dans la figure 56. On a deux parties principales : une partie

matérielle et une partie logicielle.

Partie Logicielle

Figure 56. Les étapes nécessaires pour la commande à distance via internet

Configurer le PC « Serveur »

Configurer le PC « Client »

Connaitre l’adresse IP de Client

Etablir la connexion « Serveur/Client »

Création de

l’interface sur

VB .Net

Partie Matérielle

Installation de deux webcams sur

le FRE

Assurer la communication entre

le PC « Client » et le FRE

Utilisateur

Joystick

Module de

commande

Module de

puissance

Moteurs du

fauteuil

Interrupteur

Capteurs

Ultrasoniques

Capteurs

Infrarouges

Algorithme de commande du

fauteuil roulant électrique

PIC 16F877

Micro Webcam

PC portable

Environnement



Pour la partie logicielle, on utilisé le bureau à distance qui est en fait composé de deux parties

distinctes : un serveur (sur le PC dont vous prenez le contrôle) et un client, aussi nommé

terminal (sur le PC qui vous sert à prendre le contrôle). Le client est disponible sur toutes les

versions de Windows et également pour Mac. Le serveur n'est disponible que sur les versions

de Windows à vocation "pro" :

CLIENTS SERVEURS

Seven Famille/Pro/Intégrale

Vista Familiale Seven Pro/Intégrale

Vista Pro/Intégrale prise de Vista Pro/Intégrale

XP Pro =================> Vista/XP Media Center

XP Familiale contrôle XP Pro

Mac

La première chose à faire est d'autoriser la prise de contrôle à distance sur le PC

(figure 57) qui devra être contrôlé (le "serveur" donc). Pour cela choisissez "Propriétés" ou

"Paramètres systèmes avancés" selon si vous êtes avec XP ou avec Vista/7. Choisissez enfin

l'onglet "Utilisation à distance". Vous devriez alors avoir cet écran.

Figure 57. Configuration de contrôle à distance sur le pc qui devra être contrôlé

Puis, il faut connaitre l’adresse IP de client, comme on a fait dans la figure 58. En

effet, La commande « ipconfig » est utilisée pour afficher les valeurs « TCP/IP » de vos

cartes réseaux, ainsi que les paramètres« DHCP » (Dynamic Host Configuration Protocol) et

« DNS » (Domain Name System).



Figure 58. Invite de commande pour afficher l'adresse IP

La dernière étape, lancez la "Connexion Bureau à distance"(figure 59). Saisissez

l'adresse IP du PC dont vous voulez prendre le contrôle sans donner le nom d'utilisateur, puis

cliquez sur "Connexion". Entrez votre nom d'utilisateur et votre mot de passe sur le PC

« Serveur ».

Figure 59. Connexion bureau à distance

Après garantir la connexion entre les deux PC, On passe à la partie matérielle :

On installe deux webcams sur le fauteuil roulant électrique afin d’assurer une

vision clair.

Ensuite, on a réalisé une liaison série à travers un adaptateur USB/Série entre le

PC « Client » et le fauteuil roulant électrique.



La dernière phase consiste à réaliser l’interface de commande de fauteuil roulant

électrique.

L’interface du commande montré dans la figure 60 est subdivisé en deux parties: l’une pour la

commande à distance via internet (à gauche) et l’autre pour la commande vocale qu’on va

expliquer son principe dans la partie suivante.

En effet, on a dessiné quatre boutons, chaque bouton correspond à une direction du fauteuil

roulant électrique. En effet, lorsque l’utilisateur appuie sur le bouton, il y a un transfert d’un

caractère (A : Avant, D : Droite, G : Gauche, R : Arrière ou S : Stop) à partir du programme

vers la carte du commande, précisément, le microcontrôleur « PIC16F877 ». Ce dernier traite

l’information et donne l’ordre au FRE pour se déplacer. Il faut écrire dans le programme en

VB.net comme suit :

Private Sub Button1_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles

Button1.Click //Faire appel au bouton

Port.Open() //ouvrir le port série

Port.Write("a") //envoyer un caractère

Port.Close() //Fermer le port série

End Sub

Aussi, pour la réception du caractère par le microcontrôleur il faut configurer la port série en

s’appuiyant sur :

#use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,stream=RS232,bits=8)

Puis, utiliser la fonction getchar() pour reçevoir les caractères.

Figure 60. Interface de la commande à distance

Cet algorithme nous a permis de gérer la direction de navigation du fauteuil roulant électrique

à distance.



En récapitulant, on a réalisé les étapes suivantes : assurer la connexion entre deux PC

(Serveur/Client), garantir la liaison entre PC (client) et fauteuil roulant, installer les deux

caméras, garantir l’activation de l’interface et tester la commande à distance via internet de

fauteuil roulant électrique.

9. Commande vocale

Pour assurer la commande vocale du fauteuil roulant électrique, on à besoin de suivre les

étapes illustrer dans la figure 61. On a deux parties principales : une partie matérielle et une

partie logicielle.

La parie matériel consiste à garantir la liaison série entre le fauteuil roulant électrique et le

PC. La partie logicielle est composée de trois parties principales (Configuration,

Programmation, Création d’une interface graphique).

Configurer le micro

Ouvrir le VB.net « Application WPF »

Ajouter la référence « Microsoft

Speech Object Library .dll »

Déclarer les bibliothèques

Programmation

Partie Logicielle Partie Matérielle

Brancher le micro-casque au PC

Assurer la communication entre

le PC et le FRE

Définir la communication série

Définir les mots à apprendre

Dessiner le Bouton d’activation de la

commande vocale

Définir le message d’activation de la

commande vocale

Insérer des images pour la description de

fonctionnement de la commande vocale

Interface

graphique

Configuration

Figure 61. Les étapes nécessaires pour réaliser la commande vocale



La reconnaissance vocale ou reconnaissance automatique de la parole (Automatic Speech

Recognition ASR) est une technique informatique qui permet d'analyser un mot ou une phrase

captée au moyen d'un microphone ou un micro-casque pour la transcrire sous la forme d'un

texte exploitable par une machine. La reconnaissance vocale, ainsi que la synthèse vocale,

l'identification du locuteur ou la vérification du locuteur, font partie des techniques de

traitement de la parole.

Ces techniques nous permettent notamment de réaliser des interfaces vocales, c'est-à-dire des

interfaces homme-machine (IHM) où une partie de l'interaction se fait à la voix. Dans notre

application on a besoin de commander le fauteuil roulant électrique à travers cette technique

de reconnaissance vocale et précisément la reconnaissance des mots (Avant, arrière, droite,

gauche et Stop).

Dans Visual Studio Express, après la création d’un nouveau projet de type WPF, on a ajouté

une référence « Microsoft Speech Object Library .dll » (figure 62), puis on commence la

programmation.

Figure 62. Ajout de la référence « Microsoft Speech Object Library .dll »

On commence par la déclaration des bibliothèques qu’on a besoin :

Imports System 'Bibliothèque permet d’adapter l’interface avec le système courant

Imports SpeechLib ' Bibliothèque spécifique pour la reconnaissance vocale

Imports System.IO.Ports 'Bibliothèque permet d’assurer l’interfaçage de VB avec le monde

extérieur



Par la suite, la déclaration des variables nécessaires comme la variable d’enregistrement de

voix (Dim WithEvents RecoContext As SpSharedRecoContext) et les variable de grammaire

(Dim Grammar As ISpeechRecoGrammar).

Concernant le programme principal on applique les étapes suivant :

Définir la communication série afin de garantir la transmission de donnés en

précisant La vitesse de transmission (Baud Rate=9600), la parité (le mot transmis peut être

suivi ou non d'un bit de parité qui sert à détecter les erreurs éventuelles de transmission), la

Longueur des mots (8 bits), le bit de Start et Bit de Stop.

Définir les mots à apprendre.

Trouver la suite de mots qui a la probabilité la plus élevée.

La dernière étape est la réalisation de l’interface comme illustre la figure 63.

Figure 63. Interface de la commande vocale

Lorsque on appuie sur le bouton commande par reconnaissance vocale, un message sera

afficher « Salut Monsieur et Madame. Vous pouvez utiliser la reconnaissance vocale pour

commander le fauteuil roulant électrique. Veuillez choisir la direction de navigation. ». Puis,

il donne l’accès au utilisateur pour exploiter la commande vocale du notre fauteuil roulant

électrique.



N’oubliez plus que La taille du vocabulaire et la complexité du modèle de langage sont

directement liés à la langue et à la nature des données à traiter, de quelques dizaines de mots

pour de la commande vocale à quelques centaines de milliers de mots pour couvrir une langue

comme le français, l’anglais ou l'allemand.

10. Commande par détection de mouvement facial « Face Tracking »

10.1. Choix de bibliothèque OpenCV «Open Source Computer vision Library»

Cette bibliothèque est écrite en langage C/C++ sous Windows et Linux offerte par Intel. Elle

est désignée aux applications de vision par ordinateur et de traitement d'images. Elle propose

un nombre d'opérateurs tels que traitement d'images (Filtrage, Transformations,

Segmentation), détection de visages « Tracking », accès aux pixels, suivi d'objet vidéo,

comme illustre la figure 64.

Figure 64. Différentes fonctions d'OpenCV

Pour la détection de visage, on à besoin de faire appel aux notions de classifieurs (classifieurs

Haar).



Il existe plusieurs types de classifieurs Haar qui sont mis sous les formes de fichiers XML. On

peut citer par exemples : « haarcascade_frontalface_alt.xml », « haarcascade_eye.xml » et

« haarcascade _mcs_mouth.xml ».

Dans notre application, on a besoin seulement de classifieur « haarcascade_frontalface_alt.xml »

qui permet de savoir les contrastes présents dans le visage traité et les relations spéciales.

La sortie d’un descripteur de « Haar » se définit par la différence entre la somme de l’intensité

des pixels contenus dans la (ou les) zone(s) blanche(s) et celles contenus dans la (ou les)

zone(s) noire(s).

Les descripteurs de Haar sont calculés dans une fenêtre de dimension fixe (22*22 pixels par

exemple). Ces rectangles sont placés soit en ligne, soit en colonne ou bien en orthogonaux.

10.2. Détection du visage

L’étape de détection permet de décider exclusivement l’existence d’un visage ou non dans

une image. Pour détecter un visage, il est nécessaire de suivre les étapes suivantes :

Configuration de la liaison série.

SerialPort port = new SerialPort("COM4", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);

Vérification de l’existence d’une image (Capture).

Public partial class Form1: Form

{

private Capture _capture;

private HaarCascade _face;

public Form1()

{

InitializeComponent();

//Lecture de l’objet HaarCascade

_face = new HaarCascade("haarcascade_frontalface_alt.xml");

if (_capture == null)

{

try

{

_capture = new Capture();

}

catch (NullReferenceException excpt)

{

MessageBox.Show(excpt.Message);

return;

}

}



Détection du contour facial.

Image<Bgr, Byte> frame = _capture.QueryFrame();

Image<Gray, Byte> grayImage = frame.Convert<Gray, Byte>();

grayImage._EqualizeHist();

System.Drawing.Rectangle imageArea = grayImage.ROI;

System.Drawing.Rectangle FreStableArea =

new System.Drawing.Rectangle((int)(imageArea.Width * 0.4),

(int)(imageArea.Height * 0.4), (int)(imageArea.Width * 0.2), (int)(imageArea.Height * 0.2));

// Dessiner la zone stable, où le visage ne se déclenche pas un mouvement.

frame.Draw(FreStableArea, new Bgr(255, 0, 0), 1);

MCvAvgComp[] faces = grayImage.DetectHaarCascade(_face)[0];

Après la programmation de détection du mouvement facial, on obtient l’interface présenté par

la figure 65.

Figure 65. Interface de détection de mouvement facial

10.3. Algorithme de détection de mouvement facial

Après assurer la détection de visage, il faut capter le visage le plus proche de webcam.

if (faces.Length > 0 )

{ //S’il y a au moins un visage

#region find the biggest face

MCvAvgComp biggestFace = faces[0];

for (int i = 1; i < faces.Length ; i++)

{

if (faces[i].rect.Width * faces[i].rect.Height > biggestFace.rect.Width

biggestFace.rect.Height)

biggestFace = faces[i];

} //Capture du visage le plus proche



On passe à l’algorithme de détection de mouvement facial, comme illustre l’organigramme du

figure 66.

Début

Vérifier la Position du centre « C » du contour (rectangle vert)

par rapport à un rectangle fixe « Rec » (rectangle bleu)

« C » à

l’intérieur

du « Rec »

Le fauteuil s’arrête

« Stop »

Le fauteuil avance

« Avant»

« C » au

dessus du

« Rec »

Le fauteuil tourne à

« Droite»

« C » à

droite du

« Rec »

Le fauteuil recule

« Arrière»

« C » au

dessous

du « Rec »

Le fauteuil tourne à

« Gauche»

« C » à

gauche du

« Rec »

Figure 66. Organigramme de détection de mouvement facial



10.4. Test de fonctionnement de l’interface

La dernière étape est le test de la commande par détection de mouvement facial avec ISIS

puis branchement du Pc avec le fauteuil roulant électrique pour réaliser le test réel.

La figure 67 illustre le test sous ISIS, lorsque le visage se déplace vers une position bien

déterminée, l’état des diodes led varie selon cette position.

Figure 67.Test de la commande par détection de mouvement facial

11. Conclusion

Ce chapitre a présenté les différents techniques de navigation en se basant sur les capteurs de

distance Ultrason « SRF08 » et infrarouge « GP2D12 ». Nous avons détaillés les différents

algorithmes classiques tels que la détection d’obstacle, suivie de mur et suivie de cible. La

troisième partie de ce chapitre est consacré à détailler les algorithmes de commandes les plus

évolués : commande à distance via internet, commande vocale d’un fauteuil roulant électrique

et on a terminé ce chapitre avec l’algorithme de commande par détection de mouvement

facial.



Conclusion et perspectives

Notre travail visait à démontrer l’intérêt de la commande des fauteuils roulants électriques en

mode autonome et semi-autonome aux personnes ayant un handicap physique lourd.

Cette étude nous a permis de mettre en valeur notre sens de l’analyse et de réflexion. Il a fallu

combiner nos compétences et faire valoir notre sens de l’équipe pour arriver à nos fins. Ce

type d’environnement de travail apporte beaucoup, aide à la compréhension du système et

rapproche du monde industriel.

Ce mémoire a été organisé de la façon suivante :

Nous avons tout d’abord établi un état de l’art sur les robots mobiles en générale et les

fauteuils roulants électriques en particulier en présentant les fameux projets réalisés sur ces

fauteuils, ainsi que les divers types des capteurs et des caméras les plus utiliser en robotique.

Après cette étude, nous avons effectué dans le deuxième chapitre le choix des capteurs qu’on

doit l’utilisé ainsi que la gestion de l’emplacement de ces derniers de façon à ce qu’ils

facilitent au handicapés de s’assoie facilement sur son fauteuil roulant électrique. Nous avons

présenté aussi dans ce chapitre les caractéristiques de notre fauteuil roulant électrique en

détaillant ces composants et la description de la carte de commande du fauteuil roulant

électrique qu’on a réalisé.

Dans le dernier chapitre nous avons présenté les différents techniques de navigation du

fauteuil roulant électrique en se basant sur les capteurs de distance Ultrason « SRF08 » et

infrarouge « GP2D12 » et sur l’interface homme-machine. Nous allons détailler les différents

techniques et algorithmes de navigation automatique tels que la détection et évitement

d’obstacle, suivie de mur, suivie de cible, commande à distance via internet, commande

vocale et commande par détection de mouvement facial, afin d’assurer l’amélioration

effectivement des performances de pilotage d’un fauteuil électrique.

Les travaux effectué dans ce projet montrent bien la faisabilité de concevoir plusieurs

algorithmes pour la navigation automatique du fauteuil roulant électrique. D’autre part,

quelques perspectives à court terme et à long terme ressortent de cette réalisation. Ainsi, bien

que la minimisation du temps de réponse de commande vocale et de commande par détection

de mouvement facial du fauteuil roulant électrique. Nous pouvons aussi ouvrir un autre axe

de recherche consacré à la Commande du fauteuil roulant électrique par pensée, c’est une



nouvelle gamme technologique qui sera très fiable et efficace. Du coté matériel, on pense à la

minimisation du nombre des capteurs : on peut par exemple remplacer les quatre capteurs

ultrasons en avant par deux capteurs seulement, en effet, on pose chaque capteur sur l’axe

d’un moteur pas à pas qui sera fixé sur la tige, puis on fait tourner ces capteurs selon l’angle

de couverture désiré.



Bibliographie

[1] D.J.Beymer, Face Recognition under varying pose, IEEE Proceedings of the Int.

Conference on Computer Vision and Pattern Recognition [CVPR’94], Seattle, Washington,

USA, 756- 761, 1994.

[2] D. M. Brienza, J. Angelo. “A force feedback joystick and control algorithm for wheelchair

obstacle avoidance”. Disability and Rehabilitation, vol. 18, no. 3,123–129, 2001.

[3] E Bicho, P Mallet and G. Schöner, Using Attractor Dynamics to control autonomous

vehicle motion, “In Proceedings of IECON‘98, IEEE Industrial Electronics Society, pp.

1176-1181, 1998.

[4] ES. Boy, CL. Teo, E. Burdet. “Collaborative wheelchair assistant”. Proceedings of the

2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS); 2002

Sep 30 Oct 5; Lausanne, Switzerland. Piscataway (NJ): IEEE; 2002. p. 1511–16.

[5] F. Dellaert, D. Fox, W. Burgard, and S. Thrun. Monte carlo localization for mobile robots.

In IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA99), May 2005.

[6] Gary Bradski, Andrian Kaebler: ”Learning Computer Vision with the OpenCV Library”,

O’REILLY, 214-219, 2008.

[7] Iagnemma, K., & Dubowsky, S. _2004_. Mobile robots in rough terrain: Estimation,

motion planning, and control with application to planetary rovers. Springer Tracts in Advanced

Robotics _STAR_ Series. Berlin: Springer, 2004.

[8] J-W Min, K Lee, S-C Lim, D-S Kwon, —Human-Friendly Interfaces of Wheelchair

Robotic System for Handicapped Persons“, Proceedings of the 2002 IEEE/RSJ Intl.

Conference on Intelligent Robots and Systems EPFL, Lausanne, Switzerland, October 2002,

pp 1505-1510.

[9] Levine, S. P., Bell, D. A., Jaros, L. A., Simpson, R. C., Koren, Y., Member, S., &

Borenstein, J.(1999). The NavChair assistive wheelchair navigation system. IEEE

Transactions on Rehabilitation Engineering, 7, 443–451, 1999.

[10] Matarić, M. J. (1992). Behavior-based control: Main properties and implications. In

IEEE International Conference on Robotics and Automation, Workshop on Architectures for

Intelligent Control Systems, (pp. 46–54). Nice, France, 1992.

[11] Odor, J., & Watson, M. (1994). Learning through smart wheelchairs: A formative

evaluation of the effective use of the call centre’s smart wheelchairs as part of children’s



emerging mobility, communication, education and personal development. In Final Report to

The Nuffield Foundation and the Scottish Office Education Department.

[12] Patel, S., Jung, S.-H., Ostrowski, J. P., Rao, R., & Taylor, C. J. (2002). Sensor based

door navigation for a nonholonomic vehicle. In IEEE International Conference on Robotics

& Automation, (pp. 3081–3086). Washington, DC.

[13] P Mallet, G Schöner —WAD Project where Attractor Dynamics aids wheelchair

navigation“. Proceedings of the 2002 IEEE/RSJ Intl. Conference on Intelligent Robots and

Systems. EPFL, Lausanne, Switzerland October 2002.

[14] R. I. Hartley and A. Zisserman. Multiple View Geometry in Computer Vision.

Cambridge University Press, ISBN : 0521540518, second edition, 2004. Cité page 49.

[15] U. Borgolte, H. Hoyer, C. Buehler, H. Heck, R. Hoelper. “Architectural concepts of a

semi-autonomous wheelchair”. J Intell Robotic Syst.1998;22(3/4):233–53.

[16] Vignier N., Ravaud J.F. (2008) Les utilisateurs de fauteuil roulant en France : aspects

socioépidémiologiques. In : Le Fauteuil roulant. Actes des 21ème entretiens de la Fondation

Garches. Pp. 21-33.

[17] Wang, H., Ishimatsu, T.:”Vision-based Navigation for an Electric Wheelchair Using

Ceiling Light Landmark”, Journal of Intelligent and Robotic Systems, 41, 4, 283-314, 2005.

[18] Watson N., Woods B. (2008) A social and technological history of the wheelchair. In :

Le Fauteuil Roulant, Actes des 21ème Entretiens de la Fondation Garches., pp. 9-20. Watson

N., Woods B. (2008) A social and technological history of the wheelchair. In : Le Fauteuil

Roulant, Actes des 21ème Entretiens de la Fondation Garches., pp. 9-20.

[19] Yanco, H. A. (1998). Wheelesley: A robotic wheelchair system: Indoor navigation and

user interface. Lecture Notes in Computer Science, 1458, 256.

[S1] http://fr.wiktionary.org/wiki/robot (Février 2012)

[S2] http://fr.wikipedia.org/wiki/Robot_militaire (Février 2012)

[S3] http://fr.wikipedia.org/wiki/Mars_Science_Laboratory (Février 2012)

[S4] http://fr.wikipedia.org/wiki/ASIMO (Mars 2012)

[S5] http://www.world.honda.com/news/2011/c111108All-new-ASIMO/index.html (Mars

2012)

[S6] http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur (Mars 2012)

[S7] http://www.robot-electronics.co.uk/htm/srf08tech.shtml (Février 2012)

[S8] http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur_photographique (Mars 2012)

[S9] http://www.absolut-photo.com/cours/capteur/ccd-cmos.php (Mars 2012)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Robot_militaire

http://fr.wikipedia.org/wiki/Mars_Science_Laboratory

http://fr.wikipedia.org/wiki/ASIMO

http://www.world.honda.com/news/2011/c111108All-new-ASIMO/index.html

http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur

http://www.robot-electronics.co.uk/htm/srf08tech.shtml

http://fr.wikipedia.org/wiki/Capteur_photographique

http://www.absolut-photo.com/cours/capteur/ccd-cmos.php

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