Version du 13 décembre 2018 à 00:43

Présentation générale

Nom du projet : Robot régulé Hugo Delbroucq Encadrants : M. Redon ; M.Boé ; M. Vantroys

Description

Le projet consiste à construire un petit robot en s'appuyant sur les projets déjà réalisés sur ce thème et à réguler ses déplacements afin d'avoir des trajectoires sans erreur par rapport à la consigne. De plus, le projet aura pour ambition la réalisation d'un robot pouvant se relever d'une position d'attente et de rester en équilibre en position "debout". Cette partie s’appuiera sur des recherches faites sur le sujet dans un article concernant les robots à bascule sous arduino. La commande se fera tout d'abord à l'aide d'une télécommande infra rouge dans un premier temps puis si le temps le permet à l'aide d'un module bluetooth et d'une application.

Objectifs

Les objectifs vont être :

d'améliorer la conception des circuits existants déjà sur le sujet.
réaliser la commande à l'aide d'une télécommande infrarouge puis à l'aide d'une application android si le temps le permet.
Régulation :
- régulation des roues afin de suivre la consigne sans erreur ni oscillation.
- régulation du bras balancier afin de conserver le robot proche de son point d'équilibre instable (position debout).

Préparation du projet

Cahier des charges

1) Actions

Le robot doit pouvoir assurer les commandes suivantes :

faire une marche avant rectiligne
faire une marche arrière rectiligne
réaliser des virages d'un angle donné
rester en équilibre lors de la durée du fonctionnement

2) Environnement

le sol doit être lisse
le sol doit avoir une inclinaison maximale de 1%
l'environnement doit être sans vent

3) Alimentation

L'alimentation se fera à l'aide d'une pile reliée à un interrupteur

Choix techniques : matériel et logiciel

Les différents composants CMS seront de préférence de taille 0603 (1608 metric). Matériel :

1*Gyroscope et accéléromètre MPU6050 [1]
2*Roue [2]
2*Capteur de souris optique
1*ATMEGA328PU [3]
1*Régulateur de tension 9-5V [4]
1 Régulateur de tension 9-3.3V [5]
12*Condensateur 100nF [6]
2*Condensateur 10uF [7]
1*Condensateur 2.2nF [8]
1*Condensateur 10nF [9]
2*Condensateur 22pF [10]
1*Rectifier Diode [11]
2*Servomoteur [12]
1*émetteur infrarouge [13]
2*Résistance 1kΩ [14]
2*Résistance 4.7kΩ [15]
8*Résistance 220Ω [16]
1*Résistance 330Ω [17]
3*Résistance 10kΩ [18]
1*Résistance 1MΩ [19]
1*Résistance 470Ω [20]
3*Résistance 56Ω [21]
1*Appuie Bouton [22]
1*Quartz [23]
3*Récepteur infrarouge [24]
3*Pile 9V [25]

Liste des tâches à effectuer

Lister le matériel
faire les différents circuits imprimés du robot
traiter les données du gyroscope
traiter les données du capteur de souris laser
réaliser un premier prototype avec la régulation en position
mettre en place la commande par télécommande infrarouge
réaliser le montage avec le bras à bascule
équilibrer le robot

faire une application android et la connexion bluetooth (penser à l'intégrer au système)

Calendrier prévisionnel

Diagramme de Gantt

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Tâche	Heures S1	Heures S2	Heures S3	Heures S4	Heures S5	Heures S6	Heures S7	Heures S8	Heures S9	Heures S10	Total
Analyse du projet	12

Semaine 1

Régulation

Contrairement à la régulation des roues afin de conserver le robot en équilibre comme on peut le voir ici, il va nous falloir utiliser un bras afin d'avoir deux types de régulation indépendantes :

- une pour les roues : la position
- la seconde pour un bras transversale : l'équilibre

La première des choses à effectuer va être la régulation de la position. On utilisera un bras et une roue folle afin d'avoir un appui temporaire. Par la suite, on pourra installer un bras transversal et sa régulation par la suite en pensant la construction du châssis en fonction ou bien ajouter la régulation directement sur les roues afin de simplifier le montage. Les capteurs utilisés seront :

Deux capteurs de type souris optique placé sous le robot pour contrôler la position
Un gyroscope GY71 MPU5060 6 axes afin de réguler l'équilibre du robot

Semaine 2 et 3

Orientation et polarité des axes

La semaine deux m'a permis de confirmer mes choix de capteurs pour le robot qui seront les suivants :

un gyroscope MPU6050 qui permet d'obtenir des informations en accélération linéaire et en vitesse de rotation pour le robot. Ce capteur est très souvent bruité, il faudra donc réaliser un filtrage du bruit avant de pouvoir analyser les données envoyées par un bus I2C compatible avec arduino. D'après la fiche constructeur, on a les données suivantes :
- Sa tension d'alimentation est comprise entre 2.375V et 3.45V
- Il utilise le bus I2C
- Il est constitué d'un accéléromètre 3 axes ET d'un gyroscope 3 axes
- Il utilise les interruptions
- Le gyroscope a une précision allant jusqu'à ±2000°/sec
- Le gyroscope a une consommation nominale de 3.6mA
- L'accéléromètre a une précision allant jusqu'à ±16g

Ces données sont envoyées de la manière suivante :

AcX = 117	AcY = 4624	AcZ = -14732	Tmp = 20.34	GyX = 15.49	GyY = 17.43	GyZ = 0.01

Les valeurs qui nous intéresserons particulièrement sont GyY (pour l'équilibrage du robot), AcX et AcY pour confirmer la vitesse du robot. Si le MPU6050 renvoie des données de bonnes qualité on pourra aussi faire un contrôle de l'orientaiton du robot via GyZ.

Ce capteur pouvant être plus ou moins bruité, il nous faut un autre capteur pour s'assurer de la fiabilité des résultats fournis par les capteurs. Nous allons donc ajouter deux capteurs de souris optique usb qui vont nous permettre de connaitre la position de notre robot en fonction de deux axes. Cette méthode est assez répandu du fait de sa précision et de sa mise en oeuvre peut coûteuse. Afin de faciliter le traitement des données et éviter les mauvaises surprises, nous allons prendre 2 souris identiques.

L'idéal serait de prendre des souris avec des connecteurs ps2 car fonctionnent mieux sous arduino mais les seules souris optiques disponibles étaient avec connectique usb. Le D+ et le D- renvoient les mêmes états inversés afin d'avoir une comparaison et d'éliminer le bruit qui pourrait gêner la communication.

Fonctionnement des différents types de souris

Type de capteur:

Le type de capteur

Il existe 3 types de souris composées de capteurs différents qui assurent le bon fonctionnement des souris :

- 1. La souris mécanique contient une boule de contact reliée à des rouleaux qui assurent l'odométrie de la souris. Ce système a pour avantage d'être utilisable sur différents types de surfaces tant que la boule de contact est en contact avec le support.
- 2. La souris optique qui elle possède une petite caméra et d'un système de traitement d'image qui permet d'analyser les variations de nuance de la surface éclairé par la led de la souris. En analysant ainsi les variations de nuances, il est possible de reconstituer le déplacement de la souris. Le mieux est de positionner la souris à quelques millimètres du sol.
- 3. La souris laser qui possède le même type de caméra qui analyse la surface sur laquelle la souris repose à ceci prêt que la source lumineuse est une source laser. Cette souris permet une meilleure précision et une plus grande adaptabilité aux surfaces. La souris peut être positionnée plus éloignée du sol ce qui présente plusieurs avantages.

Son type de connexion
- 1. Connectique PS2 : C'est l'une des plus anciennes connectiques de souris, et l'une des plus facile à lire. Il existe en effet de multiples tutoriels montrant comment lire ces données.
- 2. Connectique USB : l'USB est particulièrement embêtant à lire en brut. Mais certaines souris anciennes réalisent en fait une conversion PS2-->USB en interne. On peut donc récupérer des données en se reliant aux pins qui gèrent le transport de données sous PS2.
- 3. Souris sans fil : Ce type de connecteur ne nous intéresse pas car demande trop de ports pour être lu (deux fiches usb et j'en passe).

Pour la commande du robot, nous utiliserons une petite manette infrarouge programmable qui devra réaliser les fonctions suivantes :

- Un bouton pour accélérer par palier
- Un bouton pour décélérer par palier
- Un bouton ON/OFF
- Un bouton pour tourner à gauche
- Un bouton pour tourner à droite

Après réflexion, la partie "pendule inversé" se réalisera par contrôle direct sur les roues couplé à la commande déjà existante sur la position du robot. Cela afin d'éviter d'ajouter des parties en plus au robot en cours de réalisation

Il m'a fallu ensuite me décider sur le dimensionnement des composants à prendre pour la réalisation du circuit. En m'appuyant sur les anciens projets réalisés sur ce robot ainsi que la datasheet des composants que j'ai pris qui différent des anciens projets ( régulateur de tension, gyroscope et capteur optique), j'ai sélectionné le matériel nécessaire pour la réalisation du robot. Le matériel sélectionné est similaire au projet de be ima et au stage d'une étudiante de l'an passé si ce n'est le régulateur de tension 5V qui admet un courant supérieur en entrée. En effet, les deux servomoteurs acceptent de recevoir 2*3A donc j'ai décidé de prendre un régulateur 5V 6A afin d'optimiser la puissance reçue par les moteurs.

Semaine 4, 5 et 6

Schéma de fonctionnement

Les semaines suivantes concernent la création du PCB. J'ai tout d'abords fais l'erreur de réaliser un schéma sous draw.io ce qui m'a fait perdre du temps sur le début de la semaine puis je suis passé directement sur altium afin de réaliser le schéma de mon circuit. La stratégie adoptée ici est de reprendre les footprints déjà existants sur internet afin de simplifier la tâche puis de vérifier que les données simulées sous Altium correspondent bien à nos composants. Ce qui a été fait sur la carte :

MPU6050
Alimentation
Driver
Clock
Reset

Il manque :

Des headers
Préparer les récepteurs infrarouges
Interface usb
connecteur usb
régulateur de tension 5V-->3.3V
Souris

Schematic du projet en cours

Semaine 7

Pour la semaine de vacances il est prévu que je fasse les choses suivantes :

Chassis
PCB à finir (avant avis de Mr Boé)
Analyse des données reçues par les souris
Expliciter le wiki sur les choix faits pour la carte et présenter les parties recherches sur les composants

Semaine 10

Réalisation du châssis

Le châssis a été réalisé sous le logiciel Onshape qui est un logiciel de CAO libre de droit. La réalisation des pièces en context permet de diminuer grandement le nombre d'erreurs de dimension et permet une réalisation plus rapide des pièces à créer. Une fois le châssis réalisé sous Onshape il ne reste plus qu'à se rendre dans les "Parts" qui nous intéressent, faire un clic droit sur la face de la pièce qui nous intéresse (attention à ne pas cliquer sur le côté de la pièce sinon on imprime l'épaisseur et non notre face) puis séléctionner Export As DXF(Attention, Onshape doit être en Inch pour l'exportation sinon des problèmes de dimension apparaissent sous Inkscape). Une fois le fichier prêt, il suffit de l'ouvrir sous Inkscape et de placer les pièces sur le support pour enfin aller découper le support.

Modèle sous Onshape

Résultat sous Inkscape

Semaine 11

Tests du MPU6050

crédits au site [26] pour avoir proposé une méthode simple de calibration du gyroscope. Et à Luis Rodenas pour son code de calibration

Nous allons commencer par effectuer des tests sur le MPU6050 format carte.

La première étape est d'effectuer une calibration propre au capteur. Cette calibration est peut se trouver à l'aide du programme suivant :

 // I2Cdev and MPU6050 must be installed as libraries
 #include "I2Cdev.h"
 #include "MPU6050.h"
 #include "Wire.h"

/////////////////////////////////// CONFIGURATION /////////////////////////////

 //Change this 3 variables if you want to fine tune the skecth to your needs.

 int buffersize=1000;     //Amount of readings used to average, make it higher to get more precision but sketch will be slower  (default:1000)
 int acel_deadzone=8;     //Acelerometer error allowed, make it lower to get more precision, but sketch may not converge  (default:8)
 int giro_deadzone=1;     //Giro error allowed, make it lower to get more precision, but sketch may not converge  (default:1)

 // default I2C address is 0x68
 // specific I2C addresses may be passed as a parameter here
 // AD0 low = 0x68 (default for InvenSense evaluation board)
 // AD0 high = 0x69
 //MPU6050 accelgyro;
 MPU6050 accelgyro(0x68); // <-- use for AD0 high

 int16_t ax, ay, az,gx, gy, gz;

 int mean_ax,mean_ay,mean_az,mean_gx,mean_gy,mean_gz,state=0;
 int ax_offset,ay_offset,az_offset,gx_offset,gy_offset,gz_offset;

/////////////////////////////////// SETUP ////////////////////////////////////

 void setup() {
 // join I2C bus (I2Cdev library doesn't do this automatically)
 Wire.begin();
 // COMMENT NEXT LINE IF YOU ARE USING ARDUINO DUE
 TWBR = 24; // 400kHz I2C clock (200kHz if CPU is 8MHz). Leonardo measured 250kHz.

 // initialize serial communication
 Serial.begin(115200);

 // initialize device
 accelgyro.initialize();

 // wait for ready
 while (Serial.available() && Serial.read()); // empty buffer
 while (!Serial.available()){
   Serial.println(F("Send any character to start sketch.\n"));
   delay(1500);
 }
 while (Serial.available() && Serial.read()); // empty buffer again

 // start message
 Serial.println("\nMPU6050 Calibration Sketch");
 delay(2000);
 Serial.println("\nYour MPU6050 should be placed in horizontal position, with package letters facing up. \nDon't touch it until you see a finish message.\n");
 delay(3000);
 // verify connection
 Serial.println(accelgyro.testConnection() ? "MPU6050 connection successful" : "MPU6050 connection failed");
 delay(1000);
 // reset offsets
 accelgyro.setXAccelOffset(0);
 accelgyro.setYAccelOffset(0);
 accelgyro.setZAccelOffset(0);
 accelgyro.setXGyroOffset(0);
 accelgyro.setYGyroOffset(0);
 accelgyro.setZGyroOffset(0);
 }

/////////////////////////////////// LOOP ////////////////////////////////////

 void loop() {
 if (state==0){
   Serial.println("\nReading sensors for first time...");
   meansensors();
   state++;
   delay(1000);
 }

 if (state==1) {
   Serial.println("\nCalculating offsets...");
   calibration();
   state++;
   delay(1000);
 }

 if (state==2) {
   meansensors();
   Serial.println("\nFINISHED!");
   Serial.print("\nSensor readings with offsets:\t");
   Serial.print(mean_ax);
   Serial.print("\t");
   Serial.print(mean_ay);
   Serial.print("\t");
   Serial.print(mean_az);
   Serial.print("\t");
   Serial.print(mean_gx);
   Serial.print("\t");
   Serial.print(mean_gy);
   Serial.print("\t");
   Serial.println(mean_gz);
   Serial.print("Your offsets:\t");
   Serial.print(ax_offset);
   Serial.print("\t");
   Serial.print(ay_offset);
   Serial.print("\t");
   Serial.print(az_offset);
   Serial.print("\t");
   Serial.print(gx_offset);
   Serial.print("\t");
   Serial.print(gy_offset);
   Serial.print("\t");
   Serial.println(gz_offset);
   Serial.println("\nData is printed as: acelX acelY acelZ giroX giroY giroZ");
   Serial.println("Check that your sensor readings are close to 0 0 16384 0 0 0");
   Serial.println("If calibration was succesful write down your offsets so you can set them in your projects using something similar to mpu.setXAccelOffset(youroffset)");
   while (1);
 }
 }

/////////////////////////////////// FUNCTIONS ////////////////////////////////////

 void meansensors(){
 long i=0,buff_ax=0,buff_ay=0,buff_az=0,buff_gx=0,buff_gy=0,buff_gz=0;

 while (i<(buffersize+101)){
   // read raw accel/gyro measurements from device
   accelgyro.getMotion6(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz);

   if (i>100 && i<=(buffersize+100)){ //First 100 measures are discarded
     buff_ax=buff_ax+ax;
     buff_ay=buff_ay+ay;
     buff_az=buff_az+az;
     buff_gx=buff_gx+gx;
     buff_gy=buff_gy+gy;
     buff_gz=buff_gz+gz;
   }
   if (i==(buffersize+100)){
     mean_ax=buff_ax/buffersize;
     mean_ay=buff_ay/buffersize;
     mean_az=buff_az/buffersize;
     mean_gx=buff_gx/buffersize;
     mean_gy=buff_gy/buffersize;
     mean_gz=buff_gz/buffersize;
   }
   i++;
   delay(2); //Needed so we don't get repeated measures
 }
 }

 void calibration(){
 ax_offset=-mean_ax/8;
 ay_offset=-mean_ay/8;
 az_offset=(16384-mean_az)/8;

 gx_offset=-mean_gx/4;
 gy_offset=-mean_gy/4;
 gz_offset=-mean_gz/4;
 while (1){
   int ready=0;
   accelgyro.setXAccelOffset(ax_offset);
   accelgyro.setYAccelOffset(ay_offset);
   accelgyro.setZAccelOffset(az_offset);

   accelgyro.setXGyroOffset(gx_offset);
   accelgyro.setYGyroOffset(gy_offset);
   accelgyro.setZGyroOffset(gz_offset);

   meansensors();
   Serial.println("...");

   if (abs(mean_ax)<=acel_deadzone) ready++;
   else ax_offset=ax_offset-mean_ax/acel_deadzone;

   if (abs(mean_ay)<=acel_deadzone) ready++;
   else ay_offset=ay_offset-mean_ay/acel_deadzone;

   if (abs(16384-mean_az)<=acel_deadzone) ready++;
   else az_offset=az_offset+(16384-mean_az)/acel_deadzone;

   if (abs(mean_gx)<=giro_deadzone) ready++;
   else gx_offset=gx_offset-mean_gx/(giro_deadzone+1);

   if (abs(mean_gy)<=giro_deadzone) ready++;
   else gy_offset=gy_offset-mean_gy/(giro_deadzone+1);

   if (abs(mean_gz)<=giro_deadzone) ready++;
   else gz_offset=gz_offset-mean_gz/(giro_deadzone+1);

   if (ready==6) break;
 }

}

Ce code a pour objectif de lire les 100 premières données brutes avec un pas de temps de 2ms en sortie du gyroscope afin de trouver une valeur d'état initial moyenne. On vérifie ensuite que ces données ne sont pas trop éloignées les unes des autres puis on créer l'offset adéquat à notre capteur. Il faut effectuer cette calibration pour chaque nouveau capteur car chacun va différer.

photo du montage

Les résultat obtenus pour le gyroscope sous forme de carte sont les suivants :{| class="wikitable" | AcX = 526 | AcY = -467 | AcZ = 1722 | GyX = 99 | GyY = 14 | GyZ = -3 |}

Semaine 12

Réglage des servo moteurs

Nous allons maintenant nous intéresser aux servomoteurs. Il faut, dans un premier temps les calibrer à l'aide de la vis à l'arrière des servomoteurs. Pour les tester, il suffit d'exécuter le programme suivant :

 #include "Servo.h"

 Servo myservo;

 void setup(){
   myservo.attach(9);
   myservo.write(90);
 }

 void loop(){
 }

Les valeurs de commande des moteurs vont de 0 (avancer dans le sens des aiguilles d'une montre) à 180 (avancer dans le sens inverse des aiguilles d'une montre). En fixant cette valeur à 90, cela signifie que le moteur est à l'arrêt. La roue est donc immobile et il est possible de régler la vis afin d'avoir effectivement un arrêt du moteur à 90.

Références

=Documents Rendus=

IMA4 2018/2019 P3 : Différence entre versions