Finalisation de cartes de contrôle de robot

Cahier des charges

Présentation générale du projet

Reprendre la carte du stage Plateforme robotique pour l'enseignement secondaire.

Ajouter les mini-cartes pour les capteurs ultra-son et les capteurs de lignes. La mini-carte pour le capteur ultra-son comprend un connecteur RJ11 pour connexion à la carte mère, un émetteur et un récepteur ultra son, de préférence de surface.

La mini-carte détecteur de ligne comprend un connecteur RJ11 et 3 détecteurs de lignes réalisés avec des phototransitors et des LEDs infrarouges de préférence de surface. Pour cette dernière carte un système de cache pour chaque détecteur doit être prévu de manière à occulter la lumière extérieure. Il faut aussi prévoir un dispositif mécanique pour que les caches soient constamment plaqués au sol.

Ajouter une mini-carte par moteur permettant de connecter un moteur et un odomètre à la carte mère. Cette mini-carte comporte évidemment un connecteur RJ11.

Ecrire les fonctions permettant de gérer les moteurs, en particulier en ligne droite en utilisant les odomètres. Ecrire aussi les fonctions permettant de gérer capteurs de ligne et capteur ultra-son. Ces fonctions seront écrites en C pour avr-gcc.

Créer un châssis unique pour les deux motorisations avec des fixations propres sans utilisation de fil de fer.

[Modification 10/07] L'idée est de baisser le coût du sonar (ce qui sera probablement difficile) ou d'augmenter la distance de détection, ce qui pourrait être plus facile à réaliser. Il n'y a pas de programme et la carte mère n'a pas été testée. Il faut donc vérifier le PCB. Clairement il y a déjà un bug avec le contrôleur de moteurs les pattes de puissance devraient être groupées par deux.

Liste de matériel

Carte capteur de ligne

Quantité	Description	Vendeur	N° Produit	URL
3	QRE1113GR Capteur Optique Réfléchissant	RS-Online	761-3984	http://fr.rs-online.com/web/p/capteurs-optiques-reflechissants/7613984/
3	220Ohm résistance de surface +/-5% 0.1W	RS-Online	832-3152	http://fr.rs-online.com/web/p/resistances-cms/8323152/
3	10kOhm résistance de surface +/-5% 3/4W	RS-Online	9045144	http://fr.rs-online.com/web/p/resistances-cms/9045144/
1	Connecteur RJ11 embase femelle	Conrad	716124 - 62	http://www.conrad.fr/ce/fr/product/716124/Embase-femelle-modulaire-ASSMANN-WSW-A-20040-noir-Conditionnement-1-pcs

Carte capteur ultrason (en cours)

Quantité	Description	Vendeur	N° Produit	URL
Partie Emmetteur
1	Emetteur US 40kHz	GoTronic	05395	http://www.gotronic.fr/art-emetteur-a-ultrasons-tr4010t-18335.htm
1	Récepteur US 40kHz	GoTronic	0395	http://www.gotronic.fr/art-recepteur-a-ultrasons-tr4010r-18336.htm
1	Connecteur RJ11 embase femelle	Conrad	716124 - 62	http://www.conrad.fr/ce/fr/product/716124/Embase-femelle-modulaire-ASSMANN-WSW-A-20040-noir-Conditionnement-1-pcs
2	Resistance de surface 270Ohm +/-1% 0.2W	RS-Online	722-1046	http://fr.rs-online.com/web/p/resistances-cms/7221046/
6	Résistance de surface 2kOhm +/-1% 0,25W	RS-Online	862-6824	http://fr.rs-online.com/web/p/resistances-cms/8626824/
3	Transistor NPN SOT23 MMBT3904	RS-Online	739-0303	http://fr.rs-online.com/web/p/transistors-bipolaires/7390303/
3	Transistor PNP SOT23 MMBT3906	RS-Online	739-0388	http://fr.rs-online.com/web/p/transistors-bipolaires/7390388/
Partie Récepteur
1	Amplificateur Opérationnel Quadruple 4MHz LM084
2	Résistance 100kOhm
6	Résistance 10kOhm
1	Résistance 680Ohm
1	Condensateur 1nF
2	Condensateur 10pF
2	Condensateur 820nF
1	Diode
1	Potentiomètre 500kOhm

Carte Odomètre (en cours)

Quantité	Description	Vendeur	N° Produit	URL
2	Interrupteur Optique KTIR0221DS	GoTronic	03502	http://www.gotronic.fr/art-interrupteur-optique-ktir0221ds-2326.htm
2	2kOmh Resistance de surface 0.1W +/-1%	RS-Online	740-8836	http://fr.rs-online.com/web/p/resistances-cms/7408836/
2	200Ohm Resistance de surface 0.25W +/-5%	RS-Online	862-6815	http://fr.rs-online.com/web/p/resistances-cms/8626815/
1	Connecteur RJ11 embase femelle	Conrad	716124 - 62	http://www.conrad.fr/ce/fr/product/716124/Embase-femelle-modulaire-ASSMANN-WSW-A-20040-noir-Conditionnement-1-pcs

Avancement du Projet

Carte capteur Ultrason

La carte ultrason permet d'évaluer la distance libre face au robot. Grâce à un système émetteur/récepteur ultrason, nous serons en mesure de détecter un obstacle ainsi que la distance le séparant de notre robot. La réalisation de la carte ultrason se décompose en 2 étapes, la partie émettrice et la partie réceptrice.
La partie émettrice comme son nom l'indique se compose de l’émetteur ultrason. La technologie piezo-électrique transforme un signal électrique en vibration acoustique. En me basant sur les différents produits disponibles dans le commerce, un émetteur de fréquence 40 kHZ sera utilisé. Le piezo fonctionne comme un haut parleur, il faut lui fournir une tension alternative qu'il puisse créer une pression/dépression et ainsi formé un vibration acoustique.
Différente manière de procéder sont possibles, on pourrait utiliser un multivibrateur NE555 avec un jeu de portes logiques afin d'obtenir la fréquence désirée. Or, l'Atmega328 dispose de broche PWM permettant de générer des signaux carrés de fréquence désirée grâce au mode Fast PWM or la conception de la carte mère a été fait autrement. Il faudra utiliser une sortie sortie classique que l'on fera commutera "manuellement" de 0 à 5V à une fréquence de 40kHz. Avec un système de pont en H, réalisé avec des transistors, il est tout à fait possible de créer un courant alternatif aux bornes de la charge. les resistances on été choisis afin de faire circuler un courant de 20mA dans ledit pont ainsi qu'un courant de commande de 2 mA.

Dans un second temps, la partie réceptrice se charge de faire l'inverse. Elle transforme un signal acoustique en signal électrique. Il est évident qu'il faudra filtrer et amplifier le signal afin qu'il soit exploitable par le micro contrôleur. En effet, l'onde acoustique généré par l'émetteur vient rebondir sur l'obstacle et est ensuite capté par le récepteur. La vitesse de propagation d'une onde acoustique est d'environ 340m/s, on déterminera la distance grâce à la formule \textstyle {d=\frac{v}{t}}. Sachant que nous ressortirons la valeur totale de déplacement de l'onde (aller/retour), on prendra soin de divisé par 2 cette mesure. La partie réception se décompose en 3 étages, un filtre passe bande centré en 40kHz composé de 2 AOP montés en inverseur, un redresseur de tension composé d'une diode, et d'un couple capacité-résistance permettant un signal à état haut toute la durée de la réception et vu que j'utilise un AOP quadruple je me servirai d'un 3eme étage en commutation pour avoir un 5v effectif en sortie.

Ci-dessus la première version du récepteur.

Et voici la deuxième

F1-F1Bis

La fonction utilise 1/4 TS924, c'est un montage dit "Passe-Bande".

• Le couple C1,R1 détermine la fréquence de coupure basse Fc1 = 1/(2*pi*1.5*10^-9*3300) = 32152Hz.
• Le couple C2,R2 détermine la fréquence de coupure haute Fc2 = 1/(2*pi*1*10^-12*316000) = 50365Hz.
• Le couple R1,R2 détermine le gain max (x95) pour la fréquence centrale Fr = sqrt(Fc1*Fc2) = 40240Hz.

[Modification 31/07] Après discussion avec mon tuteur, le gain de x1000 est trop important. En comparant différente sources, un gain de (400-500) semble suffisant , un test avant montage semble nécessaire. Un gain réglable est une meilleure solution, cela permettra de régler la distance de détection.

En effet, la tension du récepteur variera de façon croissante en fonction de la distance que l'onde sonore parcourra.
Les filtres doivent être redimensionner, ils sont du premier ordre (20dB/décade ~ 6dB/Octave) le gain max se situe :

• Filtre passe haut : f>2Fc
• Filtre passe bas : f<1/2Fc

[V2]

• Le filtrage ne s'effectue pas sur deux mais un seul AOP.
• Utilisation de résistance en fonction de la commande de composants. Plus large bande de filtrage. 20k~80kHz
• Ajout d'un potentiomètre servant à régler la distance de détection.

F2

La fonction représenté ici est un démodulateur d'amplitude. Il permet un maintiens de la tension.

• La diode supprime les alternances négatives.
• Le temps de décharge du condensateur ne doit être ni trop lent, ni trop rapide. La résistance R5 et la capacité C5 représente un temps de décharge de 2*10^-5s, idéal pour un signal de fréquence 40kHz.

[Modification 31/07] La constante tau = 1/(2*pi*C*R) = 2*10^-5 semble trop faible. Ayant revu les cours de démodulation, je pense envoyer 8 salves (8 passages état-haut, état-bas), ce qui a priori je retrouverai en réception. La constante de temps sera donc plus adapté si elle est comprise entre 1/40000 et 8/40000. Soit une valeur moyenne de 1.125*10^-4. La commande de matériel déjà passé je pense utiliser une résistance de 10kOhm en replacement de celle de 20kOhm.

[V2]

• Utilisation d'un AOP supplémentaire pour la démodulation d'amplitude.

F3

L'étage F3 sert à obtenir un signal logique:

• L'AOP est monté en mode commutation avec comme tension de seuil 0.318V.
• Une capacité de découplage pourrait être utilisé pour supprimer, une possible tension continue résiduelle.
• Ce dernier étage pourrait être supprimé vu que nous somme relié à une entrée analogique de l'ATMGEGA328.

F4

Pour alimenter le TS294, j'utilise une alimentation simple 5V. Lorsqu'on utilise une alimentation simple, il faut créer une masse virtuel de VCC/2.

• Utilisation de 2 résistance de 3.3kOhm servant comme diviseur de tension. La valeur des résistances est choisis pour que V+=V-.
• Possible utilisation d'une capacité de découplage servant à "neutraliser" les variations de tensions, bruits résiduels.

[Modification 03/08] Le composant utilisé sera un TL084, il dispose également d'une large bande passante et génère peu de bruit.

Carte suiveur ligne

Afin de réduire le nombre de composant, mon choix s'est porter vers un système comprenant les à la fois l'émetteur et le récepteur infrarouge. Le brochage utilisé sur la carte mère indique l'utilisation de pin analogique, le QRE1113 est donc adapté. Il peut être configuré en acquisition numérique ou analogique. Une résistance de 220 Ohm est à prévoir par diode pour l'alimentation ainsi qu'une résistance de 10kOhm brancher en pull-up pour la sortie du photo transistor. On récupérera donc une valeur analogique qui en fonction de la distance et de la réflectance de la ligne, variera entre 0 et 5V.

Carte moteur

Pour la création de la carte moteur, il est indiqué dans le projet de stage que l'on devra utiliser un KTIR0221DS comme interrupteur optique. Pour ce, une résistance 2kOhm en série sur la diode ainsi qu'une résistance de 200Omh sur le phototransistor. Cela permettra d'obtenir un courant de 2mA sur la diode. Le transistor quant à lui est un modèle dit de "Darlington", il possède donc un gain conséquent (env. 600%), le courant Ic qui en découlera sera d'environ 20mA. Pour ce qui est de la fréquence de commutation de l'interrupteur, la vitesse nominal du moteur est de 130tr/min. Sachant cela, nous savons également que le disque dispose de 20 "branches", l'interrupteur sera sollicité environ 43 fois par seconde. Valeur largement supporter si on décide d'utiliser le µC en "PC-Interrupution" (environ 1/86s). Nous serons donc capable de déterminer :

• La vitesse de rotation
• La distance parcouru grâce au diamètre de la roue.

Carte suiveur ligne

Afin de réduire le nombre de composant, mon choix s'est porter vers un système comprenant les à la fois l'émetteur et le récepteur infrarouge. Le brochage utilisé sur la carte mère indique l'utilisation de pin analogique, le QRE1113 est donc adapté. Il peut être configuré en acquisition numérique ou analogique. Une résistance de 220 Ohm est à prévoir par diode pour l'alimentation ainsi qu'une résistance de 10kOhm brancher en pull-up pour la sortie du photo transistor. On récupérera donc une valeur analogique qui en fonction de la distance et de la réflectance de la ligne, variera entre 0 et 5V.

Carte moteur

Pour la création de la carte moteur, il est indiqué dans le projet de stage que l'on devra utiliser un KTIR0221DS comme interrupteur optique. Pour ce, une résistance 2kOhm en série sur la diode ainsi qu'une résistance de 200Omh sur le phototransistor. Cela permettra d'obtenir un courant de 2mA sur la diode. Le transistor quant à lui est un modèle dit de "Darlington", il possède donc un gain conséquent (env. 600%), le courant Ic qui en découlera sera d'environ 20mA. Pour ce qui est de la fréquence de commutation de l'interrupteur, la vitesse nominal du moteur est de 130tr/min. Sachant cela, nous savons également que le disque dispose de 20 "branches", l'interrupteur sera sollicité environ 43 fois par seconde. Valeur largement supporter si on décide d'utiliser le µC en "PC-Interrupution" (environ 1/86s). Nous serons donc capable de déterminer :

• La vitesse de rotation
• La distance parcouru grâce au diamètre de la roue.

Livrables

Schématique

Carte capteur de ligne

Carte Moteur

(Attente de validation)

Carte Ultrason (Partie Émission)

Carte Ultrason (Partie Réception) V1

Voici le montage des différents AOP servant au filtrage ainsi qu'a la commutation de la sortie du capteur. Un descriptif détaillé de chaque étage est en cours.