IMA4 2018/2019 P2

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Révision datée du 11 novembre 2018 à 18:28 par Mcreteur (discussion | contributions) (→‎Semaine 7)


NumWorks et robot

Présentation générale

Description

Le projet consiste à commander un robot classique par une calculatrice NumWorks avec un programme Python. Après avoir conçu un robot classique à base d'Arduino, moteurs, sonar ultrason et suiveurs de lignes, il faudra modifier le logiciel d'une calculatrice NumWorks afin que cette dernière soit capable de communiquer avec le robot. Une fois la communication établie, nous développerons une API afin de contrôler le robot. Finalement, nous écrirons un programme python utilisant l'API pour transformer le robot en un robot suiveur de ligne avec arrêt en cas d'obstacle et redémarrage automatique lors de la disparition de l'obstacle.


L’intérêt de ce projet serait de permettre l'initiation à la robotique aux lycéens à moindre coût. Les lycéens ayant tous à acheter eux-mêmes une calculatrice, en leur imposant la Numworks, il n'y aurait que les robots à acheter pour un peu moins de 50 euros. Ils pourraient alors découvrir le monde de la programmation robotique en utilisant l'API développée sur la Numworks qui permet la programmation Python.

Objectifs

  • Conception d'un robot classique
  • Modification du logiciel d'une calculatrice NumWorks pour établir une communication entre le robot et la calculatrice
  • Développer une API permettant le contrôle du robot
  • Développer un programme Python transformant le robot en un robot suiveur de ligne avec arrêt en cas d'obstacle et redémarrage automatique lors de la disparition de l'obstacle

Préparation du projet

Cahier des charges

Robot :

  • Concevoir un robot mobile à partir d'un Arduino Uno, capable de détecter des obstacles grâce à un capteur de distance à ultrason et de suivre une ligne grâce à des capteurs suiveurs de ligne

Communication :

  • Établir une communication entre le robot et la calculatrice NumWorks en tentant de passer le micro-contrôleur en hôte USB et en utilisant le FTDI de l'Arduino

API :

  • Développer une API permettant de contrôler le robot :
    • fonctions pour contrôler les moteurs
    • fonctions pour lire la distance du sonar
    • fonctions pour lire l'information des suiveurs de ligne

Programme Python :

  • Développer un programme Python se servant de l'API pour transformer le robot en un suiveur de ligne. Il doit permettre au robot de s'arrêter en cas d'obstacle et redémarrer lorsque l'obstacle disparaît

Choix techniques : matériel et logiciel

- Robot :

- Calculatrice NumWorks

- Shield pour Arduino : Réalisation sur Eagle

- Communication : Modification de l'OS Numworks en C++ / C

- API et programme suivi de ligne : Développés en Python


  • Magician chassis DG007

  • Contrôleur de moteur TB6612FNG,C,8,EL

  • Capteur de distance HC SR04

  • Capteur optique suiveur de ligne Sparkfun ROB09453

  • Arduino Uno

  • Calculatrice Numworks

Liste des tâches à effectuer

  • Assembler le robot
  • Réaliser un shield pour l'Arduino
  • Modifier le logiciel de la calculatrice NumWorks pour établir la communication
  • Développer l'API
  • Développer le programme Python


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 5H
Recherches / documentation 12H 6H
Conception du robot 30min
Réalisation du shield 16H30 2H30 5H
Établissement de la communication 3H 6H 6H 9H 3H 8H
Développement de l'API
Développement du programme Python

Prologue

Semaine 1

  • Acquisition du matériel :

Le matériel nécessaire à la conception du robot était déjà disponible. Récupération d'un kit à assembler pour construire un robot à deux roues, d'un Arduino Uno, d'un sonar ultrason, d'un contrôleur de moteur ainsi que de trois suiveurs de ligne.

  • Installation du SDK NumWorks :

Ayant à modifier le logiciel de la calculatrice NumWorks afin de transformer la calculatrice en un périphérique USB hôte pour pouvoir contrôler le robot, j'ai installé le SDK fourni par l'éditeur qui offre un simulateur.

On récupère dans un premier temps le code : 

  git clone https://github.com/numworks/epsilon.git


Avant de pouvoir lancer le simulateur, il faut installer de nombreuses dépendances : 

  apt-get install bison build-essential dfu-util flex gcc-arm-none-eabi git libfltk1.3-dev libfreetype6-dev libpng12-dev

Une fois les dépendances installées, on peut compiler : 

  make PLATFORM=simulator clean
  make PLATFORM=simulator

Puis on lance le simulateur par la commande : 

  ./epsilon.elf
Simulateur NumWorks


  • Recherches / Documentation  :

L'USB On-The-Go (OTG) est une spécification qui permet à un périphérique USB de se comporter comme un hôte ou un esclave selon la situation. Par exemple, cela permet à une tablette (qui est de base un périphérique esclave) de pouvoir communiquer avec un autre périphérique USB tel qu'une souris, un clavier en agissant comme périphérique hôte puis d'être esclave lorsque connecté à un ordinateur. Cette spécification OTG introduit un 5ème pin, le pin "ID". Lorsque ce dernier est connecté à la masse, le périphérique est défini comme hôte par défaut. Si le pin n'est pas connecté, le périphérique est esclave par défaut.

Le port USB de la calculatrice NumWorks n'étant censé être utilisé que pour recharger la calculatrice ou la mettre à jour, la calculatrice est un périphérique esclave. Cela est confirmé par le Schematics de la calculatrice sur lequel on voit que le pin ID de l'USB n'est pas connecté :


Schematics du port USB de la NumWorks


Le micro-contrôleur STM32F412VGT6 utilisé est cependant compatible avec l'OTG d'après sa Datasheet et l'acronyme "OTG" apparaît à de nombreuses reprises dans le code du logiciel de la calculatrice NumWorks. Il faudra donc creuser dans ce sens pour faire de la calculatrice un hôte USB.

Semaine 2

  • Recherches / Documentation  :

Recherche et lecture de documentation pouvant aider à l'établissement de la communication entre la calculatrice et le robot. On retiendra trois documents qui pourront nous aider:

- Manuel d'utilisation de la librairie USB host du logiciel de développement des STM32 STM32Cube

- Manuel d'utilisation de la librairie USB On-The-Go des STM32F

- Manuel de référence du STM32F412


  • Établissement de la communication entre la calculatrice et le robot :

Début de modification du logiciel de la calculatrice NumWorks afin d'en faire un hôte USB pour pouvoir contrôler le robot. Pour cela, le manuel de référence du STM32F412 est une aide précieuse.

Dans un premier temps, nous modifions les différents registres d'initialisation de l'USB OTG du micro-contrôleur. Cela se passe dans la fonction initOTG() du fichier /ion/src/device/usb.cpp.

Dans ce fichier, on s'aperçoit d'une ligne qui force l'USB à agir en tant qu'esclave : 

  OTG.GUSBCFG()->setFDMOD(true);

Pour forcer la calculatrice à apparaître comme un hôte USB, on modifie la ligne de la façon suivante : 

  OTG.GUSBCFG()->setFHMOD(true);

Le manuel de référence du STM32F412 nous propose une démarche pour initialiser l'USB de la calculatrice en tant qu'hôte, nous la suivons donc.


Il faut dans un premier temps initialiser le cœur. On active différents masques et interruptions à travers différents registres ainsi que les modes :

- Host negotiation protocol (HNP) qui permet au cœur de changer dynamiquement son rôle de périphérique A-Host en A-esclave et inversement ou B-host en B-esclave.

- Session request protocol (SRP) qui permet, lorsque la calculatrice est un hôte USB, d'économiser de l'énergie en éteignant le Vbus power si la session USB est suspendue


On procède ensuite à l'initialisation du mode hôte. On active le port de contrôle et le registre de statut, on sélectionne le mode de vitesse supportée. Si un périphérique USB est détecté, on active le processus de reset sur le périphérique, on se règle sur sa vitesse et on configure la taille des queues FIFO pour l'échange des données.


Il faudra ensuite procéder à l'initialisation d'un canal de communication pour que la calculatrice puisse échanger avec le robot.

Semaine 3

  • Établissement de la communication entre la calculatrice et le robot :

Initialisation des channels : afin de pouvoir communiquer avec les périphériques connectés à l'hôte, en l’occurrence ici, l'Arduino à la calculatrice, il faut initialiser des canaux de communication. Pour cela, on active les canaux voulus à travers les registres, on active certaines interruptions et masques. Il faut finalement donner une taille au canal en fonction des paquets attendus ainsi que donner les caractéristiques du endpoint que l'Arduino présentera.

Maintenant que l'initialisation a été modifié pour que la calculatrice apparaisse comme un hôte USB, il faut adapter les fonctions de communication. J'ai alors passé pas mal de temps à essayer de comprendre l'architecture du logiciel en terme de communication USB et chercher ce qu'il y a à modifier.

Semaine 4

  • Établissement de la communication entre la calculatrice et le robot :

Après avoir passé du temps à essayer de trouver les modifications à apporter aux fonctions de communication USB du logiciel Numworks, j'ai découvert que STMicroelectronics propose des bibliothèques pour aider à la programmation de leurs microcontrôleurs. On trouve dans ces dernières des fonctions toutes faites pour la configuration de l'USB pour un mode hôte ou esclave. En plus de proposer des fonctions réalisant l'initialisation du core, du mode hôte et des canaux de communication comme j'ai pu le faire au cours des deux dernières semaines, ils proposent des fonctions de communication ainsi qu'une interface d'abstraction matérielle permettant de faciliter la portabilité. J'ai donc choisi d'utiliser ces bibliothèques plutôt que de continuer à réaliser les fonctions moi-même et de risquer de faire des erreurs qui seraient sûrement difficiles à trouver au moment des tests. Cela me permettra aussi probablement de gagner du temps.

Après avoir programmé le logiciel Numworks pour utiliser la fonction d'initialisation de l'USB fournie par les bibliothèques STM, je suis confronté à un problème d'intégration au vu des erreurs apparaissant à la compilation.

Semaine 5

  • Établissement de la communication entre la calculatrice et le robot :

- Résolution du problème de la semaine 4. La semaine dernière, en voulant intégrer les bibliothèques que propose STMicroelectronics j'ai été confronté à un problème à la compilation. Après avoir utilisé un type défini par les bibliothèques intégrées dans le code du logiciel Numworks afin de faire de la calculatrice un hôte USB, j'avais une erreur à la compilation qui m'indiquait que le type utilisé n'était pas défini bien que le fichier .h était lié. J'ai alors, dans un premier temps, pensé qu'il s'agissait d'un problème au niveau des makefile suite à l'ajout des bibliothèques. Finalement, en examinant le code des .h des bibliothèques STM, je me suis rendu compte qu'ils contenaient presque tous le code suivant : 

  #if defined(STM32F405xx) || defined(STM32F415xx) || defined(STM32F407xx) || defined(STM32F417xx) || \
   defined(STM32F427xx) || defined(STM32F437xx) || defined(STM32F429xx) || defined(STM32F439xx) || \
   defined(STM32F401xC) || defined(STM32F401xE) || defined(STM32F411xE) || defined(STM32F446xx) || \
   defined(STM32F469xx) || defined(STM32F479xx) || defined(STM32F412Zx) || defined(STM32F412Vx) || \
   defined(STM32F412Rx) || defined(STM32F412Cx) || defined(STM32F413xx) || defined(STM32F423xx)

Les bibliothèques proposées par STMicroelectronics sont communes à chacun de leurs microcontrôleurs. Cependant, ces derniers étant tous différents, il existe des différences au niveau des registres. Afin de pouvoir utiliser les bibliothèques, il faut donc définir le modèle de microcontrôleur utilisé dans un .h bien particulier. Sans cela, le if defined étant présent en tête de fichier et ne se fermant qu'à la fin, tout le contenu était ignoré. Après avoir défini l'utilisation du STM32F412VGT6 dans le .h adéquat, le problème de typage non reconnu à la compilation a été résolu.

Après avoir inclus les nombreux .h différents nécessaires pour l'utilisation des fonctions d'initialisation du périphérique USB, j'ai été confronté à un autre problème :


Compilation suite à l'ajout des bibliothèques STM


De nombreuses variables sont définies sous le même nom dans le logiciel Numworks et dans les bibliothèques STM mais sont utilisées différemment et dans deux langages (C++ pour Numworks, C pour bibliothèques STM). Des problèmes de collision apparaissent donc parmi d'autres à la compilation. Les variables en question étant utilisées dans de nombreux fichiers différents dont le code n'est pas forcément simple à comprendre sans l'étudier et y passer du temps, réadapter le code des bibliothèques à celui du logiciel demanderait beaucoup de temps. J'ai donc choisi de revenir sur la solution de départ et de réaliser les fonctions nécessaires moi-même en prenant appui sur ces bibliothèques.

- J'ai donc dans un second temps, repris les fonctions d'initialisation créées au cours des semaines dernières pour les réutiliser et je les ai ajusté en fonction de l'implémentation que STMicroelectronics propose dans ses bibliothèques.

Semaine 6

  • Conception du robot  :

Après avoir passé pas mal de temps sur l'établissement de la communication, j'ai décidé de laisser cela de côté pour cette semaine, j'y reviendrai plus tard. J'ai dans un premier temps assemblé le châssis du robot, chose relativement simple et rapide avec la notice fournie au kit.


Châssis assemblé
  • Réalisation du shield :

Afin de réaliser un travail propre et qu'il n'y ait pas de fils dans tous les sens, il a été demandé de réaliser un shield pour l'arduino en y intégrant les différents composants utilisés. On intégrera à ce shield :

- Le contrôleur de moteur TB6612FNG

- Des headers permettant de connecter les deux moteurs au contrôleur

- Le capteur de distance HC SR04

La batterie sera connectée au robot par le shield avec des fils.

Les capteurs optiques suiveurs de lignes devant se trouver sous le robot pour être utiles, nous réaliserons un autre PCB pour ces derniers.


J'ai décidé de réaliser ces cartes électroniques avec le logiciel Eagle, notamment parce qu'il est disponible sous Linux contrairement à Altium. Après avoir procédé à l'installation du logiciel, j'ai recherché des librairies Eagle proposant les composants dont j'ai besoin :

- Librairie SparkFun-Boards pour le template de shield Arduino Uno

- Librairie diy-modules pour le capteur de distance HC SR04

- Librairie TB6612FNG,C,8,EL pour le contrôleur de moteur TB6612FNG

- Librairie con-headers-jp pour les headers femelles

- Librairie SparkFun-PowerSymbols pour le 5V et la masse


  • Template shield Arduino Uno

  • Capteur de distance HC SR04

  • Contrôleur de moteur TB6612FNG


J'ai ensuite cherché à savoir comment connecter les différents composants entre eux puis procédé à la réalisation du schematics et du PCB associé :


Schematic du shield


PCB du shield

Semaine 7

  • Réalisation du shield :

Les capteurs de ligne devant se trouver en dessous du robot pour être utilisables, j'ai réalisé une seconde carte électronique afin de minimiser le nombre de fils de connexion sur le robot. Cette carte ne comporte que des capteurs suiveurs de ligne ainsi qu'un header pour lier cette dernière au shield.

Pour réaliser cette carte, j'ai utilisé la librairie QRE1113GR qui fourni la footprint du capteur optique QRE1113GR utilisé :


Footprint du capteur optique QRE1113GR


Le schematic de la carte est le suivant :

Schematic de la carte de capteurs optiques pour le suivi de ligne


Finalement, le PCB associé :


PCB de la carte de capteurs optiques pour le suivi de ligne



  • Retour de soutenance intermédiaire  :

Suite à la soutenance intermédiaire, les objectifs du projet ont évolué. La modification du logiciel de la calculatrice Numworks étant possible mais demandant beaucoup de temps, cette tâche est abandonnée. A la place, nous utiliserons une solution déjà existante de communication en pur série avec l'Arduino : https://zardam.github.io/post/numworks-uart-over-usb/

Les objectifs sont donc désormais les suivants :

- Robot comme demandé initialement

- Mettre en place un protocole de communication série pour que la calculatrice puisse utiliser les capteurs et les actionneurs du robot

- Réaliser un câble propre pour la connexion entre la calculatrice NumWorks (port micro USB) et l'Arduino (E/S 0 et 1, masse)

- Développer une API python simple pour qu'un lycéen puisse utiliser le robot

- Développer un exemple de programme python sur la NumWorks pour utiliser le robot comme un suiveur de ligne avec arrêt en présence d'obstacles (sujet original)

- Réaliser un démonstrateur de programmation de l'Arduino par la NumWorks : Ajout d'un capteur de température DHT22 sur le robot, saisie de codes assembleur ATMega328p (hexa) sur la Numworks pour la gestion du capteur (un code d'initialisation et un code de récupération de valeur), envoi des deux codes par série sur l'Arduino puis utilisation de ceux-ci.


  • Établissement de la communication entre la calculatrice et le robot :

La communication entre la calculatrice Numworks et l'Arduino doit donc désormais se faire en série grâce à la solution https://zardam.github.io/post/numworks-uart-over-usb/

L'auteur de cette solution a mappé un UART sur les ports D+ et D- de l'USB en modifiant le logiciel Numworks. La communication série est ainsi possible en utilisant le port USB de la calculatrice.

Semaine 8

Semaine 9

Semaine 10

Documents Rendus

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