IMA3/IMA4 2021/2023 P7
Sommaire
Résumé
Bienvenue sur cette page qui résume notre projet d'élève ingénieur en systèmes embarqués. Notre but était de concevoir et modéliser un accordeur de guitare automatique. Ce dernier rendrait l'accordage d'une guitare 100% automatique, du grattage des cordes à la rotation des mécaniques. Ce projet a été réalisé par ROUILLE Quentin, GRONDIN Louis et BULTEL Laurine, élève de SE4-SA.
Présentation générale
Contexte
La guitare est l’un des instruments de musique les plus populaires depuis le XIIIe siècle. Elle accompagne de nombreux genres musicaux tel que le jazz, le blues, la pop, le rock, etc. Mais comme tout instrument, la guitare se désaccorde avec le temps… Cet accordage peut se faire à l’oreille pour ceux qui ont l’oreille absolue, au diapason, ou à l’aide d’un accordeur. En effet les accordeurs de guitare manuels et semi-automatiques existent déjà, mais présentent quelques problèmes : imaginez un artiste voulant accorder en vitesse sa guitare avant de monter sur scène. Le bruit de la foule qui l’acclame déjà empêche son accordeur d’entendre correctement les notes jouées et de l’aider à accorder son instrument. C’est pourquoi nous avons décidé de développer un accordeur de guitare 100% automatique : du traitement du signal sonore à la robotisation des gestes d’accordages.
Objectif
Notre objectif est donc de savoir gratter une corde, acquérir la fréquence qui en est émise à l'aide de notre capteur (microphone ou capteur de vibration), puis grâce à notre algorithme, si la fréquence émise est supérieure à la fréquence de référence, le moteur tourne d'un sens pour tourner la mécanique, si la fréquence est inférieure, le moteur tourne dans l'autre sens. Nous devons donc travailler sur l'acquisition de la fréquence et le traitement du signal, et sur la modélisation 3D pour le boîtier, le rail et la pince.
Description
D'un point de vue conception, notre objet serait donc séparé en 3 parties :
- un boîtier contenant un moteur et une pince, placé sur les mécaniques de la guitare afin de pouvoir les tourner et régler ainsi la tension des cordes et donc, la fréquence émise
- un support fixe et une tige, placé au dessus de la caisse de résonnance, permettant de gratter les cordes unes à unes.
- une partie centrale qui contiendrait l'alimentation et le microcontrôleur
Solutions matérielles
Voici la liste du matériel que nous avons utilisé afin de réaliser ce projet :
| Matériel | Image | Lien |
|---|---|---|
| Motoréducteur | https://www.robotshop.com/eu/fr/pololu-motoreducteur-75-1-metal-25dx54l-mm-hp-6v.html | |
| Microphone KY037 | https://www.az-delivery.de/fr/products/mikrofon-modul-gross | |
| Microcontrôleur Arduino ATMega2560 | disponible directement dans le kit Arduino | |
| Ecran LCD | https://www.az-delivery.de/fr/products/1-3zoll-i2c-oled-display |
Développement Technique
Structure
Modélisation sous SolidWorks: Pour faire les modélisations 3D, nous sommes passés par le logiciel de conception SolidWorks. Notre but ensuite est d'imprimer ces différentes pièces à l'aide d'une imprimante 3D.
SON
- Acquisition du signal avec le microphone
Malgré l’inconvénient des bruits parasites qui peuvent gêner l’acquisition, le microphone reste la solution la plus simple et efficace pour notre projet. Sur celui que nous avons choisi, le KY03, un petit potentiomètre permet de régler la sensibilité. Nous avons fait de nombreux tests afin de déterminer le meilleur réglage possible. En effet, avec trop de sensibilité, le microphone captait plus les bruits environnants, mais avec trop peu, il ne captait pas suffisamment la note jouée à la guitare. Nous avons donc essayé de trouver un juste milieu.
Nous avons ensuite réfléchi à une question assez importante : où placer le microphone lorsque l’on gratte une corde de la guitare ? Après s’être renseignés, nous avons décidé de le placer à l’intérieur de la caisse de résonance, en le glissant dans la rosace de l’instrument. Cet endroit est idéal pour capturer le son car la cavité creuse permet d’amplifier le son produit par les cordes.
- Traitement du signal
Une fois la note acquise, il est nécessaire de terminer sa fréquence afin de la comparer à la fréquence de référence de la corde. Pour se faire, Après de multiples tests, nous avons décidé d’utiliser la bibliothèque Arduino “arduinoFFT”, de Enrique Condes. Cette bibliothèque contient une fonction s’appelant MajorPeak, qui nous donne directement la fréquence du pic maximal observé dans la FFT du signal perçu. Nous avons échantillonné avec 256 échantillons et une fréquence d’échantillonnage de 5000 Hz.
ALIMENTATION
Un objectif très important pour nous était d'avoir un système complétement transportable, il n’était donc pas envisageable de devoir brancher notre système à une source d’énergie fixe. Après quelques recherches nous avons conclu que l’utilisation d’une pile 9V était le plus optimale pour l’alimentation d’une carte arduino qui accepte (via une source d’alimentation externe) des tensions comprises entre 7V et 12V. Au-delà et en deçà de ces tensions on risque dans un sens, une sous alimentation du processeur et dans l’autre une surtension au niveau du régulateur qui viendra tout simplement après la surchauffe couper l’alimentation de la carte.
En intégrant une pile, il fallait que le système puisse être mis en marche de façon simple, nous avons donc rajouté un interrupteur va-et-vient dans notre montage. Pour repasser à la corde 1, il suffit de redémarrer le système.
Au niveau de la motorisation, nous devions également utiliser cette source d'énergie externe afin d'alimenter le driver moteur. Nous avons tout simplement créé une dérivation juste après l’interrupteur. Un câble viendra donc alimenter la carte via son port Vin et l’autre ira directement vers l’entrée d’alimentation du driver, la masse étant quant à elle commune à l’ensemble du circuit. L’écran et le microphone, pour leur part, sont alimentés par les ports de sortie de la carte arduino.
En ajoutant notre propre source de tension il a fallu porter une attention particulière à la protection de la carte. Dans un souci de sécurité nous avons ajouté une diode au niveau du port Vin, cette diode aura pour effet de laisser passer le courant uniquement s’il est dans le bon sens. Avec cette protection il n’est donc plus possible d’endommager la carte si l’on branche la pile dans le mauvais sens. En toute logique, il aurait fallu ajouter un transformateur 9V vers 6V afin de ne pas suralimenter le moteur. Etant donné qu’il ne fonctionne pas de manière continue, ce problème est négligeable, nous avons donc gardé cette configuration.
MOTORISATION
Nous nous sommes ensuite dédié à la motorisation du projet, afin de tourner les mécaniques de la guitare. Après quelques recherches, nous avons appris qu'il fallait un couple d'environ 0,2 Nm pour pourvoir tourner les mécaniques. Finalement le moteur choisi possède un couple d’environ 1.3 Nm pour une vitesse de rotation de 130 tr/min à vide. En raison de son prix (35 €) et de son poids (100 g) il n’était pas envisageable de créer une structure pouvant accueillir 6 moteurs de la sorte que ce soit en termes de poids, d’encombrement ou de prix. C’est donc principalement pour cela que nous avons décidé d’accorder une corde à la fois. Afin de pouvoir commander ce moteur avec une tension d’alimentation supérieure à celle de l’arduino et dans les deux sens de rotation, nous avons dû utiliser un driver moteur qui n’est autre qu’un hacheur commandé qui permet de faire passer une tension directement au moteur tout en étant piloté par l’intermédiaire de l’arduino. Grâce à cela il nous est donc possible d’alimenter le moteur à la même tension que la pile, soit 9 V, mais aussi de faire tourner le moteur dans le sens horaire et antihoraire.
Le driver est donc d’une part alimenté par la batterie et connecté au moteur d’autre part. Les interrupteurs sont quant à eux connectés à la carte arduino au niveau de ses sorties analogiques, sur lesquels nous agirons à travers le programme afin de pouvoir tourner les mécaniques. Les masses sont encore une fois toutes communes entre elles. L’utilisation d’un driver permet de modifier la vitesse de rotation du moteur (en modifiant la valeur que l’on envoie sur les pins de sortie).
ALGORITHME
Le programme qui nous permet d’accorder les cordes a été réalisé en langage Arduino. Il nous permet de contrôler le moteur via son driver en fonction des informations obtenues par le microphone et le traitement du signal. Le code s’appuie sur l'organigramme ci-dessous.
Le fonctionnement est assez simple. Globalement le programme va comparer la fréquence reçue par le microphone à la fréquence de référence de la corde et en fonction du résultat, faire tourner le moteur dans le sens horaire ou anti-horaire.
De plus, nous avons mis en place une vitesse et un temps de fonctionnement variables, lorsque le moteur doit modifier la tension d’une corde, en fonction de l’écart entre la fréquence voulue et la fréquence mesurée. En effet, si la fréquence mesurée est loin de la fréquence voulue, le moteur aura une vitesse plus élevée et tournera pendant un temps plus long que si l’écart entre ces deux fréquences est faible. Cette méthode nous permet d’atteindre plus rapidement la fréquence voulue. Nous avons également décidé que les fréquences mesurées avec un écart supérieur à plus ou moins 100 Hz de la fréquence voulue ne serait pas prise en compte afin de réduire les erreurs d’acquisitions et donc de tendre ou détendre la corde pour rien.
AFFICHAGE
Dans un premier temps, nous avions décidé d’utiliser des Leds pour informer l’utilisateur de l’avancement de l’accordage en temps réel, mais après réflexion nous avons choisi de réaliser une interface à l’aide d’un écran pour que ce soit plus compréhensible. Nous affichons donc à chaque fois la corde qui est accordée et la fréquence voulue pour que l’utilisateur sache où placer le moteur. Puis nous avons créé une barre de progression afin que l'utilisateur connaisse en temps réel où en est l’accordage de la corde. La barre de progression suit la logique suivante :
|
De plus, nous informons l’utilisateur lorsqu’il doit changer de corde et lorsque l’acquisition est en cours. Grâce à cet écran, nous n’avons plus besoin d’utiliser le moniteur série Arduino et donc nous pouvons utiliser notre accordeur directement sans ordinateur
STRUCTURE
- Impression 3D
Tout d'abord, nous avions besoin d'une pièce qui lie l'axe du moteur au mécanique. Pour cela nous avons utilisé la conception 3D, sur le logiciel OnShape, afin de réaliser la pièce. Les dimensions ont été choisies afin de s’adapter le mieux possible aux mécaniques de différentes guitares. La pièce permet d’un côté de s’emboiter sur l’axe du moteur et de l’autre d’entourer la mécanique. Une fois que les deux axes sont liés, lorsque le moteur tourne, la mécanique tourne avec lui.
Nous les avons ensuite imprimer en 3D au Fabricarium de l'école.
Ensuite, il nous fallait une pièce qui vienne tenir le moteur. Pour cela nous avons désigné une pièce en 2 parties : une qui vient tenir le moteur (orange), et l'autre qui permet à l'utilisateur de tenir le produit facilement (bleu).
Bilan
Pour conclure, durant ce semestre nous avons :
- modéliser la structure mécanique de notre accordeur sur SolidWorks
- débuter le code de la rotation du moteur
- débuter le code de l'acquisition de la fréquence sur Arduino
Gestion de projet
Diagramme de Gantt
Chronologie des séances
Semestre 6
1 mars
- Découverte du sujet
- Premières réflexions sur l'étude fonctionnelle
8 mars
- Etude de la concurrence et de l'existant
- Etude poussée de l'accordage d'une guitare
15 mars
- Réflexion sur comment gratter les cordes
- Etude de marché
- Diagramme de Gantt
22 mars
- Diagramme à bête de corne
- Début du cahier des charges fonctionnels fonction par fonction
29 mars
- Analyse des risques
- Rédaction de l'organigramme de l'architecture logicielle
5 avril
- Conclusion sur l'étude de marché
- Petite présentation à M. Lahkal
26 avril
- Analyse technique (diagramme pieuvre, liste du matériel)
- Passage au club Instru pour étudier une vraie guitare
3 mai
- Recherche sur l'acquisition du son
- Recherche sur la détection de corde précise
10 mai
- Rédaction du rapport
- Rédaction du pitch pour la vidéo de communication
Semestre 7
10 octobre
- Ajustement du diagramme de Gantt
21 octobre
- Finalisation de la liste d'équipements
- Renseignement sur les logiciels de conception
28 octobre
- Récupération du kit Arduino
- Simulation avec le capteur de vibration
18 novembre
- Modélisation 3D des 2 parties du systèmes sur SolidWorks
- Simulation du capteur de vibration sur le logiciel Tinkercad
21 novembre
- Travail de l'acquisition de fréquence avec le microphone KY037
25 novembre
- Travail de l'acquisition de fréquence avec le microphone KY037
28 novembre
- Réception de la commande du motoréducteur et des capteurs piézo
8 décembre
- Recherche d'un programme faisant l'autocorrélation et la densité spectrale de puissance du signal
15 décembre
- Manipulation d'un oscilloscope, un haut-parleur et du capteur de vibration afin de mieux comprendre le signal qu'on reçoit
- Début de rédaction du rapport du S7
Semestre 8
18 janvier
Durant ces 4 heures, afin de rattraper notre retard sur l’acquisition de fréquence, nous ne nous sommes dédiés qu’à cela.
A l’aide d’une bibliothèque Arduino nommée “arduinoFFT”, par Enrique Condes, nous avons pu récupérer la fréquence d’un son joué en face du micro. La fonction principale qui nous permet cela est FFT.MajorPeak qui donne la fréquence du pic principal détecté lors de la FFT.
Nous avons joint ce programme à celui que nous avions déjà créé au S7 qui détecte s’il faut tendre ou détendre la corde, comme on peut le voir ci-dessous :
On détend la corde car fréquence réelle > fréquence idéale
La prochaine fois, nous essayerons de faire le branchement avec le moteur pour le faire tourner dans le sens horaire ou anti-horaire selon s’il faut tendre ou détendre la corde.
01 mars CR de la séance : Fichier:COMPTE-RENDU DU 01 03.pdf
08 mars
