IMA4 2017/2018 P25 : Essaim de Robots

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Révision datée du 15 mars 2018 à 15:31 par Bcanu (discussion | contributions) (Feuille d'heures)


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)

Description Fabricant Référence Fabricant Fournisseur Quantité Lien fournisseur
Microcontrôleur Atmel ATMEGA328P-MU Mouser 2 https://www.mouser.fr/ProductDetail/Microchip-Technology-Atmel/ATMEGA328P-MU?qs=sGAEpiMZZMvqv2n3s2xjscfa4zIkTHJIR0ZBr3z9ETo%3d
Condensateur 100nF Kemet C0201C104K9PACTU Farnell 16 http://fr.farnell.com/kemet/c0201c104k9pactu/condensateur-mlcc-x5r-100nf-6/dp/1907036?st=Condensateur%20100nF
Condensateur 10uF Wurth Electronik 885012106006 Farnell 2 http://fr.farnell.com/wurth-elektronik/885012106006/condesateur-mlcc-x5r-10uf-6-3v/dp/2495147
Condensateur 22pF AVX 06036A220KAT2A Mouser 4 http://www.mouser.fr/ProductDetail/AVX/06036A220KAT2A/?qs=sGAEpiMZZMs0AnBnWHyRQKdiqyDPVQdATEC6RfUr2zQ%3d
Rectifier Diode Vishay Semiconductors GL34G-E3/83 Mouser 4 http://www.mouser.fr/ProductDetail/Vishay-Semiconductors/GL34G-E3-83/?qs=sGAEpiMZZMutXGli8Ay4kH9ZXA1Qtv9UOwbhSBXDb18%3d
Quartz ECS ECS-160-20-3X-TR Mouser 2 http://www.mouser.fr/ProductDetail/ECS/ECS-160-20-3X-TR/?qs=sGAEpiMZZMvAbnEMxb34PZ9bYWrwSXiB
Servo moteur Olimex Ltd. MS-R-6-40 Mouser 4 https://www.mouser.fr/ProductDetail/Olimex-Ltd/MS-R-6-40?qs=sGAEpiMZZMvuFyKEiodORqSYMvGj9ACrspkI9Ywy%252bNs%3d
Blue LED KingBright APHB1608LVBDZGKC Mouser 4 http://www.mouser.fr/ProductDetail/Kingbright/APHB1608LVBDZGKC/?qs=sGAEpiMZZMseGfSY3csMkcwbVq2rhH5Mu7mYFMpmGAhvgXBy5N%252b7kA%3d%3d
Green LED KingBright APT1608SGC Mouser 4 http://www.mouser.fr/ProductDetail/Kingbright/APT1608SGC/?qs=sGAEpiMZZMseGfSY3csMkeytxqHAv00AcF6Dm1xSW98%3d
Red LED KingBright APHB1608ZGSURKC Mouser 2 http://www.mouser.fr/ProductDetail/Kingbright/APHB1608ZGSURKC/?qs=sGAEpiMZZMseGfSY3csMkdKNYmh3uDipxtOOfF4A5sw%3d
Yellow LED KingBright APT1608SYCK Mouser 2 http://www.mouser.fr/ProductDetail/Kingbright/APT1608SYCK/?qs=sGAEpiMZZMsQtlBhqKq43Wn3QbM4OLG1
Orange LED KingBright APTD1608SECK Mouser 2 http://www.mouser.fr/ProductDetail/Kingbright/APTD1608SECK/?qs=sGAEpiMZZMt82OzCyDsLFNLWq0AjqZj1Bh9swU8LC68%3d
White LED 6200K OSRAM Opto Semiconductors LW L283-Q1R2-3K8L-1-Z Mouser 2 http://www.mouser.fr/ProductDetail/OSRAM-Opto-Semiconductors/LW-L283-Q1R2-3K8L-1-Z/?qs=sGAEpiMZZMsgSGrx0WqTbPUyJ8s29bGV
LED Infrarouge Farnell OP290A Optek technology 4 http://fr.farnell.com/optek-technology/op290a/led-t-1-3-4/dp/1497872
Récepteur Infrarouge Vishay Semiconductors TSOP38238 Mouser 6 http://www.mouser.fr/ProductDetail/Vishay-Semiconductors/TSOP38238/?qs=sGAEpiMZZMvAL21a%2fDhxMtgKho2n4%2fgBkajAZHPY5lE%3d
Circuit d'horloge Texas Instruments NE555 RS Online 2 https://fr.rs-online.com/web/p/timers/0526959/
1kΩ Resistor ROHM Semiconductor ESR03EZPJ102 Mouser 4 http://www.mouser.fr/ProductDetail/ROHM-Semiconductor/ESR03EZPJ102/?qs=sGAEpiMZZMu61qfTUdNhG1IKPAnaLGejvfM9hA7acow%3d
10kΩ Resistor ROHM Semiconductor ESR03EZPJ103 Mouser 4 http://www.mouser.fr/ProductDetail/ROHM-Semiconductor/ESR03EZPJ103/?qs=sGAEpiMZZMu61qfTUdNhG1IKPAnaLGejZIagwiN2IRk%3d
1MΩ Resistor ROHM Semiconductor ESR03EZPJ105 Mouser 2 http://www.mouser.fr/ProductDetail/ROHM-Semiconductor/ESR03EZPJ105/?qs=sGAEpiMZZMu61qfTUdNhG79AcIiSWYOgHx87yIE%2f9KKMdGhl9FJu5g%3d%3d
470Ω Resistor ROHM Semiconductor KTR03EZPJ471 Mouser 2 http://www.mouser.fr/ProductDetail/ROHM-Semiconductor/KTR03EZPJ471/?qs=sGAEpiMZZMu61qfTUdNhGwzMi690UM7UxxZFBtRl4vg%3d
330Ω Resistor ROHM Semiconductor ESR03EZPJ331 Mouser 2 http://www.mouser.fr/ProductDetail/ROHM-Semiconductor/ESR03EZPJ331/?qs=sGAEpiMZZMu61qfTUdNhG1IKPAnaLGejYH%2fBWzzt0Tg%3d
220Ω Resistor ROHM Semiconductor ESR03EZPJ221 Mouser 16 http://www.mouser.fr/ProductDetail/ROHM-Semiconductor/ESR03EZPJ221/?qs=sGAEpiMZZMu61qfTUdNhG1IKPAnaLGejce8FZC1%2fFYU%3d
Switch ALPS SKQGADE010 Mouser 2 http://www.mouser.fr/ProductDetail/ALPS/SKQGADE010/?qs=sGAEpiMZZMsqIr59i2oRcrO5GDYRXDIX6cdtN26xmPE%3d
USB Chip FTDI FT232RL-REEL Mouser 2 http://www.mouser.fr/ProductDetail/FTDI/FT232RL-REEL/?qs=sGAEpiMZZMs5ceO8zL%252bTxyQLQIH6hE7q
USB-C Connector Molex 105450-0101 Mouser 2 https://www.mouser.fr/ProductDetail/Molex/105450-0101?qs=sGAEpiMZZMulM8LPOQ%252byk43rDx%252b4l5FzJ4YNghWv4pnX6X7mot%2f43w%3d%3d
Régulateur 5v Texas Instruments LM1117IMPX-5 Mouser 2 https://www.mouser.fr/ProductDetail/Texas-Instruments/LM1117IMPX-50-NOPB/?qs=X1J7HmVL2ZGGwLlD0uGqKQ%3D%3D
Batteries 9V Panasonic Battery 6LF22XWA/B12 Mouser 2 http://www.mouser.fr/ProductDetail/Panasonic-Battery/6LF22XWA-B12/?qs=sGAEpiMZZMsra%2fh506hF%252bITISQoCasqh1k2eJLis9sg%3d
Roue de balance Alwayse 100613 RS-Online 2 https://fr.rs-online.com/web/p/billes-porteuses/0687770/
Emetteur/Récepteur Ultrason 40 kHz ELECFreaks RB-Elf-143 Robotshop 2 https://www.robotshop.com/ca/fr/module-sonar-hc-sr04-ultra01.html
Pin externe mâle 2
AVR chip 2
Capteur à effet Hall 2
Aimant permanent 2

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


PCB finale du robot. PCB finale du robot (vue schématique).


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 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).


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

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.

Ébauche de modélisation 3D du robot

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

partie mécanique "élévatrice du capteur"










Analyse et étude de la carte électronique existante.

Semaine 5

Arduino

Synchronisation de l'envoi et réception des trames par sémaphore.

PCB

partie mécanique "élévatrice du capteur"


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.