IMA4 2018/2019 P28

Présentation générale

Projet : Afficheur d'images à billes 

Le but de ce projet est de réaliser un nouveau format d'afficheur capable de concurrencer les systèmes préexistants. Il devra pouvoir afficher des images en continu grâce à des billes de couleurs.

Etudiants: Flora DZIEDZIC et Martin MICHEL

Encadrants : Messieurs Xavier Redon, Alexandre Boé et Thomas Vantroys

Description

Nous voyons souvent aujourd'hui des afficheurs composés de LED, que ce soit sur nos écrans de téléphone, pour afficher des publicités ou des informations dans des halls de gare par exemple. Contrairement aux idées répandues, même si de grands progrès ont été faits dans la gestion d'énergie, ces afficheurs à LED consomment beaucoup même s'ils sont utilisés pour des affichages semi-statiques.

Nous devrons partir de zéro afin de penser un tout nouveau système capable d'afficher une image en couleur et en continu. Pour réaliser un tel système, nous avons choisi de nous orienter vers un afficheur à billes. L'élément principal de notre projet sera l'écran d'affichage, jumelé à un système de tri et de stockage des billes.

Objectifs

Le but est que, lorsque l'image affichée est fixe, le système ne consomme pas d'énergie. En effet, le système d'affichage auquel nous sommes confrontés au quotidien nécessite d'être alimenté en permanence pour maintenir l'image à l'écran : sans cela, le panneau s'éteindrait.
De plus, il faudrait que notre système puisse lui aussi afficher des images en plusieurs couleurs prédéfinies. Enfin, nous porterons évidemment une attention particulière au coût global de la structure.

Nous travaillerons bien sûr à une échelle réduite : bien que nous cherchions à concurrencer des systèmes d'affichage de plusieurs mètres carrés, notre réalisation sera un prototype qui pourra être adapté à toute sorte d'utilisation.

Afficheur à bille de face

• Conception mécanique

Nous devons construire un système capable d'amener, d'afficher et de ranger des billes. Il nous faut donc concevoir :

la structure d'affichage

le système de remontée

le système de tri

le système d'ouverture d'un réservoir

l'acheminement de la bille vers l'écran

• Circuit électronique

Nous avons également besoin de connecter différents composants :

une partie capteur pour évaluer la couleur de la bille et sélectionner le bon réservoir

des moteurs pour actionner les différentes parties

Afficheur à bille avec contour de la vis sans fin apparent

• Développement informatique

Afin de contrôler les actions mécaniques en prenant en compte les données (des capteurs par exemple) nous devons développer un programme permettant de :

commander les moteurs en fonctions des mesures (voir capteurs)

sélectionner les réservoirs en fonction des données reçues (image à afficher)

définir la trame/format des données et de la transmission de celles-ci :

soit les données sont envoyées ligne par ligne avec N octets pour les N colonnes

soit toutes les données sont envoyées en une fois

L'alimentation du système pourrait s'adapter au type d'utilisation du projet : elle peut se faire via une alimentation filaire externe, pour les grandes installations de type affichage publicitaire, mais également via une batterie pour des applications portatives.

Schéma afficheur à bille

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

De nos jours, les LED font partie de notre quotidien. En effet, que ce soit pour certains types d'éclairage ou des afficheurs publicitaires intérieurs comme extérieurs, les LED sont omniprésentes. On trouve également aujourd'hui des télévisions à LED. Cependant, celles-ci n'affichant pas d'images pseudo-statiques, nous ne les considérons pas comme un concurrent de notre projet.

Analyse du premier concurrent

Un grand fabricant de panneaux à LED est l'entreprise Winlight, basé à Hambach en France.

Magasin recouvert de LED Winlight de couleurs

Leader en panneaux à LED Digital Media, Winlight propose des solutions d'affichage à LED. Leur spécificité est de fabriquer des écrans géants à LED sur mesure. De plus, depuis plus de 10 ans, Winlight fabrique également des croix de pharmacie avec des LED bleues, spécificité de leurs croix.

Avantages :

• Possibilité de faire de grands panneaux
• Attire l’œil des consommateurs
• Permet de faire des images non statiques

Inconvénients :

• Consommation énorme

Analyse du second concurrent

Afficheur JCDecaux

Dans le milieu publicitaire, nous trouvons également des affichages imprimés. Le leader mondial d'afficheur publicitaire en papier se nomme JCDecaux. Sur les abribus, dans la rue, sur les routes avec des panneaux déroulants, les panneaux publicitaires JCDecaux sont omniprésents.

Avantages :

• Différentes tailles de panneaux
• Permet de changer d'images régulièrement
• Supports multiples : les affiches peuvent être collées partout

Inconvénients :

• Consommation énorme
• La toile est fragile, potentiellement déchirable
• Les affiches sont réimprimées sans arrêt, ce qui coûte cher et n'est pas écologique

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Xavier, employé chez Pubextra, entreprise d'affichage publicitaire, est chargé de trouver un nouveau moyen d'affichage peu onéreux. En effet, Catherine de la compta, a fait remonté au patron les dépenses astronomiques de l'entreprise pour la consommation des panneaux publicitaires à LED récemment installés par l'entreprise dans toute la France. Afin de ne pas réduire ses effectifs, le patron a demandé à Xavier de trouver un système permettant de moins consommer d'énergie, tout en gardant le même principe : afficher plusieurs images de marques différentes sur un même panneau, afin d'avoir plus de clients et donc, plus de revenus. Ne pouvant pas dépenser des sommes astronomiques, l'entreprise ne peut se permettre d'acheter de nouveaux panneaux hors de prix.

Après quelques recherches, Xavier tombe sur un site internet de vente de panneaux d'affichage à billes. Il s'agît d'un système automatique à base de billes permettant d'afficher des images. En fonction de l'image désirée, des billes de couleurs vont se placer à la place correspondante. Une fois que l'on désire afficher une nouvelle image, les billes présentes sont évacuées et la nouvelle image est affichée. Pas besoin de la présence d'un être humain, étant donné que les billes remontent dans le système automatiquement. C'est exactement ce qu'il lui faut ! De plus, il y a possibilité de fabriquer n'importe quelle taille d'afficheur étant donné qu'ils sont fabriqués sur mesure. Le système ayant très peu de composants électroniques, le prix reste peu onéreux. Quant à la consommation, une fois l'image affichée, cela ne consomme plus rien, étant donné que l'image est créée avec des billes. Si l'entreprise ne possède qu'un seul client sur un panneau d'affichage, l'image peut rester la même, ce qui ne consomme absolument rien. Grâce à cette solution, Pubextra économisera des centaines d'euros par mois, ce qui lui vaudra bien une promotion. Utiliser ce système fera donc plaisir à Xavier, mais également à la planète !

Réponse aux questions difficiles

• Combien consomme un panneau à LED?

2018: « Un panneau avec une face numérique consomme 7 fois plus que le plus énergivore des mobiliers non numériques, et un panneau avec deux faces numériques consomme 13 fois plus » La consommation d'un afficheur numérique 1 face (de 2m^2) serait de 12 565 kWh par an au lieu de 948 kWh pour les afficheurs publicitaires déroulants de la même taille. La nouvelle question serait ainsi: à partir de quelle durée l'affichage d'une image via notre système est-il rentable par rapport à un afficheur à LED?

Nous ferons une première étude avec des billes en polyamide. Dans des données de constructeur, on trouve que, pour 150 billes d'un centimètre de diamètre, nous avons un poids de 90g En prenant par exemple V=0,01 m/s pour monter une masse de 0.9 kg, le poids à soulever est une force F=m.g soit F=0,09.9,81=0.8919 N.

Ensuite pour la puissance, nous avons P=F.V soit P=0,8919.0,01=0,008919 W. Cela correspond à la puissance brute. Il faut ensuite tenir compte du rendement (réducteur...) que l'on peut dans une première approche estimer à 0,80. Cela va conduire à un moteur de 0.01W On veut comparer avec un panneau de 2m2, soit un tableau de 20 000 billes. Il faudrait donc remonter 134 fois 150 billes, et ainsi consommer 0.01*134=1,34W.

Un panneau à LED consomme 12565kWh. Il faudrait changer l'image plusieurs dizaine de millions de fois pour qu'un afficheur à LED soit plus efficace.

Plusieurs types de matériaux sont utilisables. Pour amener une première quantification, nous nous baserons sur des billes en plastique, en polyamide qui présente des caractéristiques médianes.

• Afin d'économiser des couleurs de billes, serait-il possible de grouper plusieurs billes de différentes couleurs afin de créer d'autres teintes?

Chaque couleur peut être créée grâce à une combinaison de couleurs primaires : c'est ainsi que fonctionnent les pixels. En réglant l'intensité de Rouge, Bleu et Vert, il est possible de répondre à l'ensemble du spectre visible. Nous pourrions donc nous contenter de ces trois couleurs, en en stockant différentes intensités.

On pourrait fixer 3 afficheurs (semblables à celui retenu) les uns derrières les autres et transparents entre chacun. Chaque afficheur est rempli de billes transparentes teintées. La superposition de 3 billes va créer une teinte particulière et donc permet d'utiliser moins de couleurs de billes. Cependant, le nombre de billes total serait bien plus important, puisqu'il faut pouvoir être capable d'afficher une "image" monochrome, et donc avoir les teintes de Rouge, Bleu et Vert correspondantes, soit 3 fois la capacité initiale.

En deuxième solution, on peut penser à des billes très petites. A chaque place, 3 billes de couleurs seraient présentes. Sur le même principe que les pixels, la couleurs des 3 billes forment, de loin, une autre couleur. Cependant, comme la première solution, cela implique un nombre plus important de billes. De plus, nous serions confrontés à de plus grandes contraintes de précisions : plus les billes sont petites, moins grande est la marge sur la taille des trous, cela augmenterait donc les coûts de fabrication.

Préparation du projet

Cahier des charges

Notre afficheur doit avoir une taille de 8x8 et doit pouvoir:

• Changer d'image sans intervention humaine
• Ne pas consommer (ou peu) lors de l'affichage d'une image
• Ne pas afficher deux fois de suite une image complète de la même couleur (afin de gérer le stock de billes)
• Recevoir les images voulues via liaison série

Choix techniques : matériel et logiciel

• 7 Moteurs:
  • 4 servomoteurs permettant de réaliser une liaison glissière FS90 (déjà en stock)
  • 1 servomoteur continu pour la vis de remontée FS90r (déjà en stock)
  • 2 moteurs pas à pas pour amener la bille à l'endroit exact (vis + tapis roulant) [1]
• 2 Roulements à billes (ou système de fixation pour les vis sans fin : à confirmer après étude avec les vis sans fin)
• 70 billes en plastique par couleurs souhaitées [2]
• 1 capteur de couleur TCS34725 (En stock à Polytech)
• Planches de bois et plexiglas
• Arduino mega [3]

Liste des tâches à effectuer

Afin d'arriver au résultat attendu, nous avons décidé de procédé étape par étape afin de vérifier la mécanique du système mais également la partie électronique. Pour cela, nous commencerons donc avec un système différent, qui ne trie pas la couleur des billes dans des réservoirs. Ici, nous ferons monter chaque bille une par une, afin d'identifier sa couleur. Si c'est la couleur souhaitée, on la positionne en haut de l'afficheur afin qu'elle tombe au bon endroit. Si la bille ne nous intéresse pas, elle change de direction et retombe à l'endroit où toutes les billes sont stockées. Pour réaliser ce système, nous devront réaliser plusieurs tâches:

Partie Mécanique

• Faire monter une bille grâce à la vis sans fin
• Séparer les billes souhaitées ou non
• Faire tomber les billes dans l'afficheur ligne par ligne
• Vider l'afficheur pour ensuite le remplir

Partie informatique/électronique

• Analyser une image afin de connaître les billes correspondantes
• Envoyer une image à notre système afin d'envoyer la position de chaque bille (La position des billes sera d'abord envoyée via liaison série, puis ensuite via SPI)
• Gérer les différents actionneurs du système
• Identifier la couleur de chaque bille afin que le capteur de couleur sache si la bille est bonne ou non

Une fois cette partie réalisée, notre afficheur fonctionnera correctement, en effet, une image pourra être affichée. Cependant, cela peut prendre beaucoup de temps si il y a beaucoup de couleurs à traiter ou si la taille de l'afficheur est grande. De ce fait, nous ajouterons des réservoirs correspondant à chaque couleur afin que le système vienne chercher directement la couleur qu'il souhaite. Pour réaliser cela, nous réaliserons les tâches suivantes:

• Revoir totalement le système afin d'y intégrer les réservoirs
• Faire tomber les billes dans leur bon réservoir
• Récupérer une seule bille parmi les réservoirs afin qu'elle aille se positionner au bon endroit

En regroupant ces tâches et les tâches précédemment réalisées, nous devrions obtenir le système souhaité.

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Tâche	Prélude	Heures S1	Heures S2	Heures S3	Heures S4	Heures S5	Heures S6	Heures S7	Heures S8	Heures S9	Heures S10	Total
Analyse du projet	10h	4h	8h
Recherche	2h	2h (Découpage du projet	1h
Montage/fabrication/ponçage	2h	2h	3h	4h/5h	2h
Programmation	0h	1h	3h	1h
Wiki	3h	2h	1h	3h

Prologue

Notre projet est très concret et en plus de la conception électronique et informatique, nous avons voulu nous pencher le plus tôt possible sur la partie mécanique. En effet, tout repose sur la façon dont nous avons réfléchi et conçu le système : le nombre et le type de moteurs, combien de capteurs, les différentes parties du montage...

Pendant les premiers jours après l'élection du sujet, nous avons réfléchi individuellement notamment à plusieurs systèmes de remontée pour ensuite mettre en commun nos idées. Plusieurs montages ressortaient.

1. Les billes sont remontées toutes en même temps avec un moulin placé à l'arrière de l'afficheur afin de les remonter vers les réservoirs.

   Avantages : gain de temps en les remontant toutes en même temps

   Inconvénients : compliqué à mettre en place, à imprimer et mécanique complexe, besoin d'une précision assez importante

2. On utilise une vis sans fin pour les remonter à la suite et les trier une par une.

   Avantages : plans de construction pré-existants, adaptés à notre utilisation, mécanique après la remontée moins lourde que celle du moulin

   Inconvénients : besoin d'une précision assez importante pour guider les billes le long du chemin

Après nous être penchés un peu plus sur la conception, nous avons opté pour la vis sans fin. L'étape suivante était de facto l'étude sur OnShape de la création des vis sans fin et du panneau d'affichage, en fonction des tailles des billes. De ce fait, nous pourrons commencer les heures de projet avec un minimum de matériel à tester une fois les billes reçues. Nous aurons également les moteurs afin de tester notre programmation.

Semaine 1

A faire : rendre l'afficheur opérationnel, étude des moteurs, wiki La première semaine a été décisive pour mettre au point l'avancée du projet et l'adapter aux billes reçues. Il est inefficace d'avancer sur toutes les parties en même temps : nous avons décidé d'établir plusieurs étapes d'avancée en précisant le cahier des charges précis pour la partie mécanique, celle de l'Arduino et du PC.

1. regarder la couleur de la bille

   placer le capteur au bon endroit

   l'arduino doit traiter les valeurs du capteur et commander le moteur du

Semaine 2

Lors de cette semaine, nous nous sommes attaqués à plusieurs parties.

Tout d'abord, la partie mécanique. Nous avions déjà imprimé une vis sans fin avant de recevoir les billes afin de mieux imaginer notre système. Cette vis ne correspondant pas aux billes reçues, il nous a fallu redimensionner cette vis afin de la ré-imprimer. Maintenant que celle-ci est imprimée, il va falloir la poncer afin de limiter les frottements mais également la fixer sur un mécanisme permettant de faire remonter les billes correctement.Celles-ci étant très petites (9mm), la marge d'erreur pour la montée est limitée, il faudra donc être précis dans nos mesures. Pour la partie moteur, nous étions partis sur un moteur continu afin de faire tourner la vis sans fin. Nous avons finalement opté pour un servomoteur continu FS90r permettant ainsi de gérer facilement la rotation de la vis.

Suite à cela, nous nous sommes penchés sur la partie code. Grâce aux servomoteurs ainsi que le détecteur de couleur, nous sommes parvenu à détecter la couleur d'une bille, la comparer avec la bille voulue, si elle correspond, on l'évacue au bon endroit, si elle ne correspond pas, on l'évacue. L'idée ici est que, lorsque le système complet sera monté, nous n'aurons plus qu'à intégrer ce sous-système afin de diriger les billes souhaitées en haut de l'afficheur. Pour débuter, nous nous concentrons sur les billes bleues, vertes et rouges. En effet, le capteur de couleur détermine les composantes rouges, vertes et bleues d'un objet. La distinction entre ces 3 couleurs est donc plus facile à implémenter. Les valeurs de couleurs reçues pour un même objet peuvent beaucoup varier d'un moment à l'autre. Établir des intervalles pour chaque composante de chaque couleur est donc très incertain et il est possible, que d'un moment à l'autre, 2 billes différentes se retrouvent dans le même intervalle, il va donc falloir travailler sur cet aspect, afin de pouvoir identifier facilement le jaune, le noir et le blanc.

Semaine 3

Cette semaine est une fois de plus dédiée à la construction. Après avoir modéliser les parties les plus importantes comme l'afficheur ou la vis sans fin, les avoir adaptées aux billes, nous avons commencé à nous pencher sur l'assemblage.

Socle de l'afficheur

Le socle

Afin d'être certain que tous les éléments soient stables et restent à une distance constante les uns des autres, tout le projet reposera sur un socle commun, qu'il a fallu dimensionner. Ce qui n'était pas faisable avant d'avoir les mesures exactes de l'afficheur et de la vis. Puisque tant que nous sommes dans cette première étape du système sans le tri par couleur, il doit également servir de réservoir à billes pour les billes : ce sera l'élément le plus volumineux. Il est impossible de l'imprimer.

• Nous avons d'abord penser à le fabriquer manuellement. A l'aide de carton, nous avons fait des premiers jets ce qui nous a permis de visualiser les dimensions, la place des moteurs, de l'afficheur, de la vis ...
• En travaillant au FabLab de l'école, nous avons pu être en contact avec des personnes extérieures à notre projet, qui nous ont suggéré l'idée d'utiliser la découpeuse laser, au lieu de le construire manuellement. En effet, cela sera bien plus précis tout en ayant l'avantage d'être plus rapide que l'impression 3D. Nous découperons donc une boite, à assembler, dont la face supérieure sera destinée à recevoir les différents composants. A l'intérieur, nous placerons la face de sorte qu'elle soit légèrement penchée et qu'ainsi les billes aillent naturellement vers la vis.

Le rectangle central correspondant à l'afficheur, à droite d'une ouverture pour le moteur ouvrant et fermant la trappe laissant tomber les billes. Il faudra approfondir par la suite la réflexion sur le système de fixation de la vis sans fin et de récupération des billes non-utilisées une fois en haut de la vis : si nous laissons une grande ouverture ou, le cas échéant, quelles dimensions donner aux ouvertures.

Le maintien de la vis

Afin de fixer notre vis sans fin, nous pensons utiliser un système de tiges, fixées en haut et en bas à des bases. En plaçant une pièce assez large entre le moteur et la vis, celle-ci pourra tourner stablement. De plus, nous la fixerons en hauteur à un roulement à bille : elle pourra ainsi effectuer sa rotation sans frottement tout en étant maintenue. De plus, nous utiliserons des tiges qui non seulement la maintiendront mais qui permettront également la remontée des billes. Nous avons construit un prototype, ce qui nous a permis de valider cette option.

Il reste à imprimer le reste des pièces modélisées, afin de voir quelles parties sont incomplètes.

Nous avons également étudié le code afin de voir comment traduire le code Arduino en langage, ce qui reste à approfondir, ainsi que la méthode à employer afin de récupérer les images : il faudra choisir entre une liaison directe série via le PC, une carte SD ...