Projet IMA3 P3, 2015/2016, TD2

Projet IMA3-SC 2015/2016 : Cartographie

Cahier des charges

Pour notre sujet de projet Systèmes Communicants, nous avons décidé de nous orienter vers un système permettant de cartographier une salle à l'aide d'un capteur de distance tournant sur lui-même par un servomoteur. Pour cela, nous avons pensé à utiliser un sonar ultra-sons pour la détection des "murs" de la salle. De cette façon, nous pourrions récupérer les positions de chaque obstacle et ainsi les tracer.

Matériel nécessaire

Par conséquent, pour pouvoir mener à bien notre projet, nous aurions besoin des choses suivantes :

• Une nanoboard
• Une Raspberry Pi
• Un sonar ultra-sons
• Un servomoteur

Séance 1

Pour débuter, nous avons d'abord réalisé un schéma représentant les différentes parties du projet, ce qui nous permettra de mieux nous répartir les tâches et comprendre ce qu'on attend de nous lors de ce projet.

Schéma global du travail à réaliser

Simulation du fonctionnement

Vidéo simulant le fonctionnement de notre montage : ici

Le résultat escompté de cette simulation :

Partie électronique

• Concernant la partie électronique, nous avons commencé la séance par créer un prototype Arduino pour pouvoir tester le bon fonctionnement du sonar ultra-sons et du servomoteur, et de voir comment s'utiliser ces 2 composants. Nous avons donc réussi à faire tourner le servomoteur en continu pour un angle de 0 à 180° tout en récupérant la distance de l'obstacle le plus proche avec le sonar.

(mettre photo programme Arduino)

Test des différents composants

• Nous avons ensuite été travailler sur Altium pour pouvoir commencer la conception de notre circuit électronique qui est pour le moment remplacé pour un prototype Arduino. Comme nous ne savions pas par où commencer ce travail, nous avons décidé de nous initier avec le tutoriel décrit dans les ressources mises à disposition pour ce projet. Cela nous a permis de nous familiariser avec les composants logiques disponibles sur Altium et de voir les différentes étapes pour intégrer un schéma sur la FPGA.

Initiation aux composants logiques sur Altium

Partie informatique

• Nous avons initialisé la liaison série en suivant les indications données dans les annexes du projet. Une fois le serveur Apache installé sur la Raspberry Pi, nous avons pu nous connecter en ssh de l'ordinateur fixe à la Raspberry pour vérifier que cela fonctionnait correctement. Pour cela, un câble Ethernet a été raccordé de la Raspberry au boîtier de la salle de projet. Nous avons également eu le temps d'installer la bibliothèque liée au websocket pour pouvoir travailler dessus à la séance suivante.

Séance 2

Partie électronique

• Après s'être entraînés avec le tutoriel sur Altium, dès le début de la seconde séance nous nous sommes attaqués à la conception du circuit électronique que nous devons réaliser pour remplacer le fonctionnement du programme Arduino. Nous avons donc à assurer la commande du servomoteur ainsi que du sonar parallèlement. Nous nous sommes premièrement intéressé au servomoteur, qui fonctionne avec un signal PWM, généré par la FPGA. Nous avons alors fait des recherches sur le modèle du servomoteur utilisé pour obtenir ses caractéristiques et nous avons trouvé la datasheet suivante :

Datasheet du servomoteur HS-422

• En lisant ce document, nous avons pu remarquer que la rotation du servomoteur s'effectuait en indiquant une certaine période au signal PWM (400 microsecs pour un angle de 45°). Du coup, nous avons réalisé un circuit permettant seulement d'émettre un signal PWM en faisant varier la fréquence de ce signal afin de retrouver la période indiquée. En utilisant l'analyseur logique branché sur une des broches externes de la FPGA, nous avons relevé une fréquence d'environ 50 kHz pour une période proche de 400 microsecs. A la fin nous n'avons pas eu le temps de tester et d'envoyer ce signal sur le servomoteur pour vérifier nos observations. Après avoir discuté avec un professeur, nous nous sommes rendus compte que nous n'avions pas encore réfléchi à l'alimentation du servomoteur, et que celle-ci poserait problème si on l'alimentait seulement avec la FPGA. En effet, le courant délivré par la NanoBoard ne dépasse pas les 10 mA, alors que selon la datasheet, le servomoteur a besoin d'un courant de 150 mA pour fonctionner convenablement. A la prochaine nous devrons donc réfléchir à un éventuel montage à transistors afin de booster le courant délivré par la FPGA.

Schéma Altium pour l'émission d'un signal PWM

Séance 3

Partie électronique

• Lors de cette dernière séance, nous avons finalisé les tests que nous voulions faire sur le fonctionnement du servomoteur. Nous avons donc finalement réaliser un montage suiveur composé d'un AOP plutôt que du montage à transistors que l'on avait prévu de faire. Nous avions mal compris la datasheet puisqu'en fait lorsqu'on parlait de 150 mA à délivrer, c'était en réalité le courant consommé par le servomoteur lorsqu'il tournait à plein régime. Nous avions en réalité seulement besoin de lui fournir une tension continue de 4,8V (ou 6V selon le modèle de moteur). D'où le montage suiveur avec l'AOP, qui permet quand même de protéger le servomoteur et d'éviter les perturbations du signal PWM. Le montage consiste donc à faire passer le signal PWM de la Nanoboard par un AOP avant d'être connecté au moteur. Nous avons utilisé deux générateurs de tension pour alimenter l'AOP en +Vcc et -Vcc, puis une troisième pour simuler l'alimentation de la Nanoboard et s'assurer du bon fonctionnement du moteur avant de l'alimenter directement avec la Nanoboard, puisque nous n'étions pas sûr du bon fonctionnement de la broche d'alimentation de la FPGA. Pour faire ceci, on réutilisera le même schematic Altium que précédemment pour l'émission d'un signal PWM où l'on fait varier le rapport cyclique de ce signal. On utilisera cependant une fréquence de 20 kHz plutôt que 50 kHz pour le signal. Après avoir regardé de nouveau le signal sur un oscilloscope, nous avons pensé que cette fréquence serait plus adaptée à nos besoins.

Le montage réalisé est le suivant :

légende Réalisation des tests pour le moteur

Avec ce montage nous avons alors réussi à faire tourner le servomoteur pas à pas en augmentant le rapport cyclique progressivement. Puisque l'on passe par Altium pour le modifier, ce rapport cyclique est écrit sur 8 bits. Cela nous a permis, en allant jusqu'aux angles limites du servomoteur, de connaître la valeur min et max du rapport cyclique en 8 bits pour aller de 0° à 180°(rotation maximale que peut effectuer le moteur). Nous avons donc fini notre travail sur le test du moteur.

Après avoir compris son fonctionnement, nous en sommes revenus au but de notre projet, c'est-à-dire faire tourner un sonar sur le servomoteur pivotera continuellement pour réaliser une cartographie de l'espace. Nous devons donc trouver un moyen via Altium pour que le servomoteur puisse réaliser cette tâche. Puisque le servomoteur tourne en faisant varier le servomoteur, nous avons alors pensé à faire un compteur puis décompteur une fois que l'angle maximum est atteint, pour que le moteur puisse tourner en continu. Voici le shematic Altium construit pour essayer de répondre à ce besoin:

légende Schéma Altium pour le fonctionnement du servo-moteur

Nous avons aussi par la suite fait un autre schematic, celui-ci pour le fonctionnement du sonar, qui n'a besoin que de récupérer la distance entre chaque obstacle le plus souvent possible. Voici un fichier qui pourrait être utilisé :

légende Schéma Altium pour le sonar

Pour le moment, nous n'avons pas encore pu tester si nos schémas Altium fonctionnaient correctement. Nous essayerons de le faire prochainement.