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
Les robots devant effectuer différentes tâches en parallèle (Déplacement, Envoi de trame infra-rouge, réception de trame infra-rouge), nous avons intégré la bibliothèque FreeRTOS dans l'Arduino afin que celui-ci agisse comme un OS.
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
Notre but, ici, était d'étudier et re-travailler une carte électronique déjà réalisée (Projet Peip Module IMA). Nous avons ainsi travaillé sous Fritzing afin de s'adapter au mieux au fichier existant. Afin de réaliser les fonctions désirées, la carte électronique se compose :
-d'un microprocesseur Atmega328. -de 3 capteurs Infra-rouge (TSOP) ainsi que d'un émetteur-recepteur 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. -d'une partie gérant la liaison USB
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 | ||||||
| Programmation du contrôle des moteurs | / | / | 3 | / | / | / | ||||||
| Programmation de l'algorithmie des robots | / | / | 3 | / | / | / | ||||||
| Étude et Conception de la carte électronique | / | / | / | 1 | 5 | 4 | 6 | |||||
| Modélisation 3D du robot en CAD | / | / | 5 | 2 | 2 | 1 | 1 | |||||
| Programmation pour simulation | / | / | 6 | / | / | / | ||||||
| Total |
Déroulement du projet
Semaine 2
Arduino
Programmation de l'envoi en série de l'identifiant du robot sur la LED L.
Implantation de FreeRTOS
Moteurs et Algorithmie
Mise en place du programme de contrôle des moteurs et développement d'une base de programmation pour les robots.
Modélisation 3D
Conception en CAD sur Onshape de la coque du robot dans le but d'une impression 3D.
Simulation
Développement d'une simulation des robots sur le moteur de jeu Unity3D.
Projet mis à l’écart suite à une réévaluation des priorités.
Semaine 3
Arduino
Programmation de la réception en série de l'identifiant.
Rajout des bits de stuffing.
PCB
Récupération du fichier déjà existant, mise en place de l'environnement logiciel.
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.
