IMA3/IMA4 2021/2023 P10

Résumé

Exemple de robot similaire au notre

Notre projet est de concevoir un robot mobile à deux roues ayant la faculté de s'équilibrer automatiquement. En effet, ne possédant que deux roues, l'équilibre du robot sur son axe vertical est compromis, a la manière d'un segway. Afin d'empecher ce désequilibre, nous avons pensé à intégrer au robot un système de contrôle de son angle vertical, utilisant des capteurs et des actionneurs mis en relation par une boucle de régulation automatique. Les composants electroniques et mécaniques du robot nous étant fournis, notre travail consiste donc surtout à étudier ce système, pour ensuite concevoir un asservissement, et l'implémenter dans notre robot.

L'intégralité de notre programme est disponible sur le dépôt git à l'adresse: https://gitlab.com/remi_farault/self-balanced-robot

🌏Contexte

Les moyens de transport actuels reposent principalement sur le principe du robot à deux roues, c'est la raison pour laquelle l'étude de celui ci s'avère importante, en effet l'étude de sa conception et son contrôle va nous permettre de développer des outils innovants qui pourraient potentiellement intéresser des sociétés de transport .

🎯Objectif

Notre objectif principal est de commander le robot, de là interviennent d'autres objectifs tel que la stabilité ,développer un code robuste qui assure cette fonctionnalité et aussi le contrôler pour réaliser des fonctionnalités de déplacement et d'éviter des obstacles . Des objectifs secondaires sont de créer un site web à travers lequel nous allons mener toutes les opérations de contrôle .

🔍Expression du besoin

Un robot autoéquilibré à deux roues est un type de robot qui peut se maintenir en équilibre sur deux roues sans tomber. Pour réaliser cette fonctionnalité, le robot utilise un ensemble de capteurs, d'algorithmes de contrôle et de moteurs pour ajuster sa position en temps réel.

Le diagramme interacteurs permet en fait de visualiser les fonctions services assurées par le système

Réalisations et Résultats

Exemple de commande désirée

Après mis en place notre stratégie de gestion de projet en s6 à travers le diagramme de GANTT et le cahier de charges fonctionnels, nous nous sommes focalisés sur l'étude technique.

Organisation de notre programme

Tout d'abord, étudier à travers des outils automatiques la stabilité du robot en faisant appel à des modèles théoriques et pratiques et commencer par un raisonnement par niveaux, d'abord le niveau 1 du moteur à courant continu et les équations correspondantes puis le niveau 2 assurant la stabilité du robot directement, on avait la possibilité de passer directement au niveau 2 à travers le modèle du pendule inversé et les équations qui en découlent sauf que celui-ci ne nous permettra pas de revenir au niveau 1 et asservir le moteur à travers les codeurs incrémentales ,la deuxième partie consistait à réaliser les codes informatiques en s'appuyant sur les structures de données en C vues l'année dernière et conduire un même raisonnement(par niveaux) s'appuyant d'abord sur les codes sources correspondants à la génération d'un signal PWM pour les deux moteurs avec un rapport cyclique modifiable, et aussi les codes sources correspondants à la gestion des moteurs, en effet, ceux-ci tournent dans un sens ou dans un autre ou ne tournent pas en fonction de la variable in1 et in2 pour faire tourner les moteurs .

Compilateur utilisé

Cependant, nous avons rencontré quelques problèmes en automatique notamment pour trouver des valeurs des constantes théoriques pour les références du moteur entre les mains, ce qui nous a obligé à prendre des valeurs issues d'autres applications, nous avons rencontré aussi quelques problèmes choisir une modélisation parmi celles qui sont disponibles sur Internet .

Les problèmes rencontrés en Informatique étaient de tester les codes de la PWM pratiquement sur les moteurs DC,...

Etude Automatique

En plus de programmer notre système sur la carte Arduino, nous avons également créé une simulation complète de notre système robotisé sur SIMULINK. Cependant, avant cela, nous avons dû déterminer les équations qui régissent notre système en trouvant les matrices d'inertie de chaque composant de notre robot, à savoir la masse transportée par le robot (M), le châssis constitué de deux plateaux et de la motorisation (les piliers et leur inertie ont été négligés car leur masse est très faible), ainsi que les roues (roue droite et roue gauche). Vous trouverez ci-dessous les matrices d'inertie que nous avons obtenues pour chaque composant.

Masse M :

Matrice de la masse M

Les coefficients seront notés dans la suite pour simplifier : AM,BM,CM

Chassis:

Les coefficients de la diagonale seront notés dans la suite pour simplifier : AH,BH,CH

Roue gauche:

Les coefficients de la diagonale seront notés dans la suite pour simplifier : AD,BD,CD

Roue droite:

Les coefficients de la diagonale seront notés dans la suite pour simplifier : AD,BD,CD

Ci-dessous un paramétrage de notre système : Chaque angle détermine un repère

Le repère R0 est supposé galliléen.

Le repère R1 est en rotation ,appelé angle de virage par rapport à R0.

Le repère R2 est en rotation ,appelé angle d’inclinaison du châssis par rapport à R0 .

Le repère R3 est en rotation ,appelé angle d’inclinaison arrière-avant de la masse par rapport à R0 .

Le repère R4 est en rotation ,appelé angle d’inclinaison droite-gauche de la masse par rapport à R0 .

l’angle de consigne est de 0deg,nous employons un PID pour corriger l’angle de mesure,à sa sortie,on aura une tension W(p).Les blocs Km et W(p) assurent le passage tension->couple->angle ,il faut ensuite retirer pour ne garder que l’angle d’inclinaison du châssis .Km=0.0125N.m.V-1(d’après la datasheet du moteur)

Les équations obtenues sont les suivantes (Le détail des calculs a été précisé dans le Rapport):

Après linéarisation : Considérer l'approximations des petits angles pour le sinus et cosinus,et négliger aussi la vitesse angulaire quadratique devant la vitesse angulaire,nous obtenons :

On obtient une courbe avec un bon temps de réponse, un léger dépassement et une stabilité .Le système est régulé de manière efficace, capable de répondre rapidement et précisément aux perturbations tout en maintenant une position d'équilibre stable.

Bilan

Bilan du semestre 6 :

Bilan du semestre 7 :

Bilan du semestre 8 :

Gestion de projet

- L'utilisation de git :

texte descriptif

Semestre 6

Séance du 01/03/22

Séance de découverte du sujet de notre projet.

Recherche de l'existant

Réalisation de recherches sur leurs différentes utilisations.

Séance du 08/03/22

Début de création du diagramme de Gantt .

Réalisation d'une étude du besoin.

Séance du 15/03/22

Etude du marché : Recherche des robots similaires. Commencer à prendre en main le robot.

Séance du 22/03/22

Poursuite de l'étude de marché. Etude des opportunités.

Séance du 29/03/22

Fin d'étude du marché. Commencer à rédiger le cahier des charges.

Séance du 05/04/22

Commencer la rédaction du cahier des charges.

Séance du 26/04/22

Bilan du semestre. Etude de faisabilité. Etude des risques.

Séance du 03/05/22

Finalisation de l'étude des risques. Finalisation de l'étude de faisabilité. Finalisation du cahier des charges.

Semestre 7

Séance du 10/10/22

Commencement de l'étude technique des encodeurs . Recherche des boucles d'asservissement du robot .

Séance du 21/10/22

Etude du changement de la carte arduino pour ajouter des nouvelles fonctionnalités : connexion Wifi, fréquence microprocesseur plus élevé,.. Test des encodeurs moteur DC : validé . Poursuite de recherche des boucles d'asservissement du robot .

Séance du 28/10/22

Etude de génération des signaux PWM

Test sur Matlab Simulink des boucles d'asservissement issues des robots similaires .

Séance du 18/11/22

Poursuite de la programmation des signaux PWM du robot.

Calcul de la fonction de transfert issue de la boucle.

Séance du 21/11/22

Etude du fonctionnement du gyroscope et des autres composants pour programmer le robot .

Séparation du travail a effectuer pour le robot entre une boucle du moteur DC(niveau 1) et une boucle du niveau supérieur(niveau 2) pour asservir l'angle d'inclinaison du robot.

Séance du 25/11/22

Modification et amélioration du diagramme de Gantt pour le S7 et le S8.

Avancée de la modélisation de la boucle du niveau 1 .

Diagramme de Gantt S7-S8

Séance du 28/11/22

Fin d'implémentation de la boucle du niveau inférieur sur Matlab/Simulink et récupération des résultats sur le scope .

Séance du 08/12/22

Poursuite de la partie informatique et avancement de la partie automatique . Programmation de la liaison série pour débugger les sorties de notre robot .

Séance du 15/12/22

Début de rédaction du rapport pour le S7

Semestre 8

Séance du 18/01/23

Recherches pour le gyroscope . Test des encodeurs . Communication sur les attentes du semestre s8 ,les fautes à éviter pour rebondir par rapport au retard S7 Mise à niveau pour comprendre les aspects techniques de la partie informatique pour pouvoir travailler ensemble sur les résultats du S8 .

Séance du 25/01/23

- Suppression des structures de données pour avancer plus rapidement sur les résultats du semestre s8 . - Recherches pour la programmation des interruptions PCINT . - Recherche sur la doc technique pour faire l'initialisation des interruptions externes . - Recherche de la modélisation en 3D de notre robot pour trouver les paramètres PID de notre robot .

Séance du 01/02/23

Durant cette séance, nous avons :

Modification du code des encodeurs et test sur les moteurs DC . Poursuite de recherche de l'existant pour trouver le code du gyroscope . Mise à jour du git . Début du calcul des matrices d'inertie de chaque solide. Recherche du code des régulateurs. Avancement sur la gestion de projet .

Séance du 08/02/23

Durant cette séance, nous avons essayé de récupérer les résultats des tests électronique de l'oscilloscope effectués dans les salles d'électronique . Le code des encodeurs marchent ,la liaison série affiche exactement la vitesse de la consigne :les Régulateurs implémentés correspondent bien à notre applications. Poursuite de la programmation de la partie informatique du gyroscope : Objectif : récupération de l'angle d'inclinaison sur la liaison série avec la meilleure précision possible .

Séance du 15/02/23

Fin du calcul des matrices d'inertie .

Paramétrage de notre robot pour avoir la visibilité sur les configurations possibles d'avoir(en virage, ligne droite),en précisant les angles d'inclinaison et es repères asociés . Poursuite de programmation des régulateurs par niveaux en utilisant le code précédemment implémenté pour les encodeurs .

Séance du 01/03/23

Fin d'implémentation du modèle en 3D de notre robot pour essayer de l'autoéquilibrer en utilisant les PIDS issues de l'autotune par rapport à nos préférences(stabilité,temps de réponse,dépassement,précision). Nous avons testé le robot en l'alimentant par le biai la liaison USB ! et enregistrement des résultats . Poursuite de la partie automatique en trouvant toutes les équations nécessaires à notre modèle .

Séance du 08/03/23

Réalisations de cette séance :

Test du robot pour se stabiliser sur le sol en applicant plusieurs . Faire tous les calculs des dimensions géométriques de notre robot et test de la boucle d'asservissement avec les deux niveaux sur Matlab Simulink avec nos préférences de stabilité, temps de réponse,précision,dépassement .

Séance du 15/03/23

Absence justifiée .