IMA4 2017/2018 P25 : Essaim de Robots
Sommaire
Présentation générale
Projet réalisé par : Benjamin Canu et Ganix Etcheguibel.
Description
Dans ce projet nous devons concevoir des mini-robots qui se comportent comme un essaim. Le principe de l'essaim se base sur les règles d'autonomie et de faible intelligence de chaque individu, ainsi que sur un faible de cout de production à l'individu et une robustesse à la variation de ceux-ci dans le groupe :
- Autonomie énergétique, sensorimotrice et décisionnelle.
- Faible intelligence : Aucune (ou très peu de communication), aucune connaissance de l'environnement global ou de l'ensemble du groupe, interactions uniquement avec l'environnement local.
Pour notre projet, nous prendrons comme but de réaliser la cartographie d'une pièce intérieure (sol plat et lisse, pas de perturbation).
Objectifs
- Adaptation du châssis et de la carte électronique fournie à partir d'un ancien projet IMA.
- Mise en place, sur ce châssis, de capteurs et LEDs.
- Programmation des algorithmes de calcul des robots pour le maintient de la distance dans l'essaim, et l'évitement des obstacles.
- Ajout des dispositifs nécessaires à la prise de mesure pour la cartographie.
Analyse du projet
Analyse du premier concurrent
Projet de robots vibrants développé à l’Université d’Harvard, est un ensemble de 1024 robots montés sur des tiges vibrantes, se plaçant sur le sol selon la forme donnée en image-ordre.
Ce groupe de robots permet la réalisation de figures complexes au sol, cependant leur moyen de mobilité fixe une vitesse fortement réduite (11h/forme) et donc n’est pas vraiment adaptée à l’analyse d’une pièce.
https://theconversation.com/thousand-robot-swarm-assembles-itself-into-shapes-30548
Analyse du second concurrent
Projet de drones volants, par GRASP Lab à l’Université de Pennsylvanie est un essaim de drones volants pouvant réaliser des figures, mouvements et organisations complexes.
Les drones permettent, si munis de caméra, de visualiser la pièce grâce à une vue de dessus rapide à mettre en place. Cependant cette vision de la cartographie n’est pas identique, car elle ne donne pas les même informations que les drones roulants (e.g.: un table vue de dessous est quatre pieds, vue de dessus elle est un rectangle). De plus, les drones peuvent cartographier en présence de personnes, si un traitement poussé est effectué en suite, mais il ne peuvent opérer dans une salle où l’air n’est pas stable.
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.423.203&rep=rep1&type=pdf
Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé
Ces robots pourront être utilisés pour la cartographie de salles en intérieur.
Leur déploiement permettra ainsi, lors de l’évitement, d’enregistrer la position et la forme des obstacles et différents objets entreposés sans en connaître au préalable les paramètres.
Réponse à la question difficile
Aucune question difficile n'a été abordée lors de la présentation.
Préparation du projet
Choix techniques : matériel et logiciel (Ici pour deux robots)
Information sur le projet
Microprocesseur
Le microprocesseur étant la "tête pensante" de notre futur robot, nous avons d’abord hésité entre une Raspberry Pi et une Atmega 328p (Arduino). Comme notre projet est orienté matériel bas niveau, l’Arduino s’est révélé plus optimal. Plutôt que la raspberry plutôt orienté haut niveau (flux vidéo, wifi, etc)
Nos robots devant faire plusieurs tâches en “simultané”, il fallait implanter un ordonnanceur dans l’Arduino. Pour cela, nous avons choisi FreeRTOS, un mini OS pour Arduino.
Ce microprocesseur choisi, nous pouvions alors passer à sa programmation en AVR, et à quelques tests avec des composants. Nous avons d’abord décidé de nous attarder sur l’émission de l’identifiant du robot au travers d’une LED infrarouge, puis nous avons tenté de programmer la modulation et la transmission du signal contenant l’identifiant.
Infrarouge
Pour la transmission en infra-rouge, chaque robot enverra son identifiant à intervalle aléatoire. Pour assurer au maximum l'intégrité du message reçu, on y intègre des bits de stuffing (une inversion de bits tous les n bits similaires de suite), ainsi qu'un bit de parité en fin.
Au fur et à mesure du codage de l’émission de l’infrarouge, nous nous sommes rendus compte qu’on allait se confronter à plusieurs problèmes, tel que la corruption du signal infrarouge par l’émission d’autres robots. Pour palier à cela, nous avons décidé d’utiliser des bits de stuffing: Tous les n bits similaires on ajouter un bit contraire afin de vérifier de la non corruption du message. Ainsi, si il y a n+1 bits à l’état haut à la suite, cela signifie qu’on reçoit deux signaux en même temps. Donc on arrête de lire le message en cours, corrompu. Comme les robots émettent régulièrement leurs identifiants, on peut se permettre d’en rater quelques-uns. Second problème, que se passe-t-il si on commence à lire un message alors qu’on est à la moitié du message émis? On se retrouve alors avec des identifiants faux. Donc on a rajouté n+1 bits de start. Comme cela, on est sûr qu’on est au début du mot.
L’identifiant à l’émission paramétré, il faut à présent coder la réception. Ainsi on vérifie qu’on reçoit bien les n+1 bits de start. Puis à chaque bit similaire on incrémente un compteur, on vérifie qu’à chaque fois qu’on a n bits similaire, le bit suivant est inversé. Si c’est le cas, on passe le bit de stuffing puis on continue à lire le message, sinon on arrête la lecture.
Pour pouvoir tester la réception, il nous faut utiliser un capteur IR TSOP, donc modulé à 38kHz. Contrainte occasionnée, moduler notre signal pour qu’il soit lu par le capteur. Au début, on utilisait la fonction _delay_ms d’AVR pour pouvoir effectuer une modulation. Mais il s’avérait que cette fonction n’avait pas une résolution assez fine. Donc on passe à présent par les TIMERS de l’Arduino. Pour pouvoir visualiser le signal émis par les LED IR, on a placé en série des LED classiques. A l’émission, on observe bien un signal modulé mais il est impossible de savoir si il est bien à 38kHz, d’autant plus que la LED reliée au capteur n’a pas l’air de s’allumer. Donc on peut supposer que la fréquence du signal n’est pas bonne. Pour cela, on utilisera un oscilloscope afin de visualiser le signal et voir si c’est à l’émission qu’on a un problème.
Carte Électronique
L’étude de la carte électronique s’est réalisée péniblement, du fait qu’aucun de nous deux n’étions à l’aise avec la conception de circuits électroniques. Cependant avec l’aide de M. Redon, nous avons pu avoir accès à un modèle déjà réalisé pour des projets de PEIPs. Cette carte contenant alors la plupart des composants nécessaires n'était pas optimisée pour la fonction d’un robot en essaim. Nous avons du alors la retravailler et enlevant ou ajoutant certaines parties.
D’abord nous avons remarqué la présence de moteurs électriques. Désirant utiliser des servomoteurs, nous avons alors remplacé cette partie ainsi que le routage sur le microprocesseur.
De plus, le traitement des récepteurs infrarouges se faisait par alternance d’alimentation et par lecture sur une seule pin de l’Atmega. Avec la suppression des moteurs, nous avons alors pu utiliser deux pins de plus afin d’alimenter les TSOPs en continu et donc les lire sur trois pins différentes.
Le châssis du robot permettant la mise en place des capteurs à distance de la carte, il a aussi fallu revoir les empreintes afin de permettre l’accès au travers de connecteurs externes, autant sur la face supérieures pour les capteurs infrarouges ou ultrasons, que sur la face intérieure pour les moteurs ou la pile.
Enfin il a fallu travailler le routage pour éviter toute erreur de RDC telles que des câbles se chevauchant (ou trop proches) tout en évitant les angles droits ou de trop nombreuses connections entre les deux faces de la carte.
La mise en place de la liaison USB à travers la puce FTDI et le connecteur USB-C n’a pas été à refaire, cependant son étude à été inévitable afin de vérifier les connections aux différentes pins. L'intégration d’un programmeur AVR ISP à aussi été nécessaire afin de permettre la programmation du robot monté.
Afin de réaliser les fonctions désirées, la carte électronique se compose donc :
-d'un microprocesseur Atmega328p. -de 3 capteurs Infra-rouge (TSOP) ainsi que d'un capteur à effet Hall et d'un émetteur-récepteur ultrason afin de repérer les autres robots ainsi que les obstacles. -d'une LED infra-rouge afin d'être visible. -de deux servomoteurs pour assurer les déplacements. -d'une alimentation par une pile 9V. -d'une partie gérant la liaison USB
Composants
ServoMoteurs : Pour réaliser la fonction du mouvement, nous avons choisi des servomoteurs afin de permettre un déplacement précis ainsi qu’une économie d’électronique car celui-ci ne nécessite que d’une seule commande du microprocesseur pour commander le sens et la vitesse de rotation.
Capteurs : Nous souhaitons réaliser une fonction de détection des autres robots, ainsi que de l’environnement proche. Pour le premier nous avons décidé de placer une LED infrarouge sur l’arrière du châssis ainsi que de détecteurs sur les trois autres côtés. A travers cette communication, nous pourrons ainsi communiquer l’identifiant propre au robot et décider des placements pour un train de véhicule, par exemple. Nous avons aussi imaginé un dispositif de capteur à effet Hall lié à un aimant permanent accroché au châssis afin de détecter l’approche à très faible distance d’un robot sans pour autant avoir à lire son identifiant. Pour la détection de l’environnement, la mise en place d'émetteur-récepteurs ultrasons à l’avant permettra sa réalisation pour des obstacles proches.
Modélisation 3D
Afin de réaliser ce robot, nous avons eu l’idée de concevoir un châssis réalisable en impression 3D. Pour cela nous avons utilisé le logiciel en ligne Onshape très utilisé dans ce domaine. Nous avons alors laissé parler notre imagination ainsi que la praticité de conception, quelque peu aidé par certains modèles réalisés à l'École ou ailleurs, afin de créer une coque permettant de maintenir en place les moteurs par vissage, ainsi que les différents capteurs, sans oublier la carte électronique. Le modèle a donc d’abord été réalisée sans dimensions précises, nous n’avions que des approximations sur les précédents modèles de mini-robots, et ne pouvions qu’estimer les emplacements des différents trous et poteaux, ainsi que la forme concrète. Cependant nous voulions valider certains points :
Tout d’abord la mise en place de la pile à l’opposé des moteurs, donc au dessus de la roue de balance, afin que le robot ne se renverse pas lors d'accélération brèves, pour cela nous avons donc définit que les moteurs soient à l’avant, et la roue folle ainsi que la pile à l’arrière pour permettre à la compensation du couple réalisé par l’avance ou le recul du robot.
De plus, nous souhaitions réaliser un robot disposant de plusieurs étages. Cela offre un confort de lisibilité (et une classe non négligeable), ainsi qu’un espace libre aux capteurs, autant pour l’activité réalisée que pour les tests. Malgré ces avantages, nous avons pu intuiter la réduction de la facilité de montage ainsi que d’accès à la carte électronique. Nous avons cependant préféré continuer dans cette lancée, les dimensions du robot n’étant, à ce stade, pas critiquement faibles, laissant ainsi la possibilité d’augmenter l’espace entre les étages. Cette idée sera revue lorsque le robot sera en phase de montage.
Liste des tâches à effectuer
- Étude Électronique
- Étude de la communication infrarouge
- Évaluation de la faisabilité.
- Étude de la modulation/démodulation.
- Détermination du circuit électronique correspondant.
- Création de la carte Électronique.
- Étude de la communication infrarouge
- Étude informatique : programmation en C
- Communication infrarouge
- Émission des trames d’identification.
- Réception des trames et analyse.
- Programmation en C
- Implémentation de FreeRTOS dans l'Arduino.
- Contrôle des moteurs.
- Algorithmie primaire (suivre, s'orienter..).
- Programmation sur un moteur de jeu pour simulation (Unity3D : C#, ou Godot).
- Communication infrarouge
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 | 6 | 4 | / | / | / | / | / | / | / | / | / | 10 |
| Étude de la communication infrarouge et des moteurs | / | 6 | / | 1 | / | / | / | / | / | / | / | 7 |
| Implémentation de FreeRTOS dans l'Arduino | / | / | 2 | / | 3 | / | ||||||
| Développement en C de la communication infrarouge | / | 3 | 2 | 4 | 1 | 4 | 4 | 8 | 8 | |||
| Programmation du contrôle des moteurs | / | / | 3 | / | / | / | / | / | / | |||
| Programmation de l'algorithmie des robots | / | / | 3 | / | / | / | / | / | / | / | ||
| Étude et Conception de la carte électronique | / | / | / | 1 | 5 | 4 | 6 | 3 | 4 | / | / | / |
| Modélisation 3D du robot en CAD | / | / | 5 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 4 | |||
| Programmation pour simulation | / | / | 6 | / | / | / | / | / | / | / | / | / |
| Total |
Déroulement du projet
Semaine 2
Lors de cette première partie du projet, nous avons choisis de débuter avec la programmation du robot, ainsi que la modélisation du chassis déstiné à l'impression 3D et la modélisation de l'algorithmie sur Unity3D. En particulier, nous avons débuté le développement de l’émission infrarouge et de l’algorithmie, ainsi que du contrôle des servomoteurs.
Arduino
La communication étant une partie importante du Projet, la programmation de l'envoi en série de l'identifiant du robot nous a paru prioritaire. Ici, nous avons testé en émettant bit par bit sur la LED L de la carte Arduino.
L'implantation d'un OS pour l'Atmega était aussi important afin de traiter les differentes tâches que le robot devra réaliser. Pour cela nous avons choisit FreeRTOS.
Moteurs et Algorithmie
Nous voulions aussi débuter la mise en place du programme de contrôle des moteurs et d'une base de programmation pour les robots, cependant peu de temps y a été accordé car nous avons vite réalisé qu'il faudra se concentrer sur la partie électronique afin de fixer les paramètres liés aux différents composants.
Modélisation 3D
La conception du chassis du robot s'est fait sur le logiciel de CAD Onshape.
Cette semaine nous avons réalisé une ébauche afin de définir certaines règles de montage telles que la mise en place d'étages fonctionnels.
Simulation
Le développement d'une simulation des robots et de leur comportement afin de les modéliser sous Unity3D est une idée qui nous a beaucoup plu a première vue.
Cependant nous nous sommes rendus compte rapidement que cela n'apporterait qu'une visibilité virtuelle, et peu d'avantages sur le plus pratique, le but final étant de réaliser les robots et non de les modéliser.
L'idée a donc été mise à l'écart.
Semaine 3
La semaine 3 a été dans la continuité de la semaine 2. Nous avons ainsi avancé sur la programmation de la communication, mettant en place les bases de la création de la carte électronique PCB.
Arduino
Une fois que l'emission a été réalisée, la programmation de la réception en série de l'identifiant semblait necessaire.
L'ajout de bits de stuffing dans le message envoyé a aussi été choisi afin d'améliorer la lecture.
PCB
Afin de bien débuter la création de la PCB, nous avons d'abord récupérer le fichier existant pour pouvoir l'analyser et l'optimiser dans le cadre de notre projet. Pour cela nous avons donc dans un premier temps mis en place de l'environnement logiciel Fritzing.
Semaine 4
Arduino
Correction de problèmes du projet FreeRTOS.
PCB
Analyse et étude de la carte électronique existante.
Semaine 5
Arduino
Synchronisation de l'envoi et réception des trames par sémaphore.
PCB
Modification de la carte et adaptation au projet en cours. Le but étant d'optimiser la carte au fonctionnement d'un robot en essaim, nous avons retravaillé certaines parties telles que la séparation du câblage des TSOP, afin d’accéder à leur valeur en continu ainsi que de réduire les différenciations d'alimentation. Nous obtenons ainsi la version finale de la carte.
Semaine 8
Arduino
-> Tester la transmission du signal Infrarouge
Pour pouvoir tester la réception, il nous faut utiliser un capteur IR TSOP, donc modulé à 38kHz. Contrainte occasionnée, moduler notre signal pour qu’il soit lu par le capteur. Au début, on utilisait la fonction _delay_ms d’AVR pour pouvoir effectuer une modulation. Mais il s’avérait que cette fonction n’avait pas une résolution assez fine. Donc on passe à présent par les TIMERS de l’Arduino. Pour pouvoir visualiser le signal émis par les LED IR, on a placé en série des LED classiques. A l’émission, on observe bien un signal modulé mais il est impossible de savoir si il est bien à 38kHz, d’autant plus que la LED reliée au capteur n’a pas l’air de s’allumer. Donc on peut supposer que la fréquence du signal n’est pas bonne. Pour cela, on utilisera un oscilloscope afin de visualiser le signal et voir si c’est à l’émission qu’on a un problème.
