Plateforme robotique pour l'enseignement secondaire

Cahier des charges

Présentation générale du projet

Objectif du stage

L'objectif à terme de ce projet est de réaliser un robot qui peut aller droit en mesurant la vitesse de ses deux moteurs, qui peut suivre une ligne et éviter des obstacles automatiquement. Ce robot doit être contrôlé par une carte principale que je dois aussi réaliser. Deux modèles de robots seront réalisé : un modèle d'entrée de gamme et un modèle avec des composants plus fiables (en particulier les motoréducteurs).

Description du stage

D’abord, il faut créer le châssis. Le châssis du robot serait constitué de plexiglas pour supporter les autres composants. On peut imaginer, par exemple, deux plaques de plexiglas assemblées par des entretoises. Les composants sont les deux moteurs avec leur réducteur, deux roues, les capteurs de ligne, les capteurs infrarouges, le capteur de distance, etc.

Ensuite, pour les connexions vers les moteurs (alimentation et retour des odomètres), vers les capteurs de lignes, vers le capteur de distance et vers les capteurs infrarouge, il faut prendre des connecteurs simples à utiliser comme des connecteurs RJ11. La carte principale serait conçue avec deux ponts en H et un micro-contrôleur de type AVR. Pour des raisons pédagogiques, la carte sera conçue avec le logiciel Fritzing. Il est demandé d’utiliser des composants CMS même si la première carte sera basée autour d'un micro-contrôleur en boitier DIP pour faciliter les tests.

Les capteurs seront réalisés à partir de composants électroniques de base (photo-transistor, LEDs, émetteurs et récepteur ultrason). Les cartes filles seront munies d’un connecteur RJ11 pour la connexion vers la carte principale.

Enfin, il faut aussi écrire, en C, les routines pour exploiter les moteurs et les capteurs (odomètres, capteurs de ligne, capteurs infra-rouges, et capteurs de distance).

Choix techniques

Matériel

2 moteurs avec réducteur
2 roues
1 roue libre
1 interrupteur
2 capteurs de vitesse
3 capteurs infrarouges
1 capteur ultrasons
1 boîtier de 6 piles
1 haut parleur
2 leds rouges
2 leds jaunes
1 micro-contrôleur

Logiciel

Compilateur C
Inkscape (pour designer des plaques et encoder disques)
Fritzing (pour la conception du PCB)

Outil

Découpeuse laser (pour les chassis)
imprimante 3D ?

Avancement du stage

Semaine 1

Documentation

Pour bien comprendre mon sujet, j'ai cherché les informations pour réaliser ce robot, je peux diviser mon travail en quatre parties principales:

Création d'un châssis avec les composants nécessaires
- le châssis est constitué de deux plaques en plexiglas découpées à la découpeuse laser, de deux moteurs avec réducteur, de deux encodeurs disques (pour mesurer la vitesse ), de deux roues, des capteurs infrarouges （pour suivre la ligne） et d'un capteur ultrason (pour éviter les obstacles）
Création d'une carte principale avec deux ponts en H, des composants CMS et un ATMega328P.
- cette carte peut être considérée comme un Arduino spécialisé, elle peut contrôler les moteurs (avancer, tourner, arrêter), traiter les signaux qui sont transmis par des capteurs, etc.
Ecriture de fonctions en C pour utilisation avec Ardublock.
- les fonctions permettent d'exploiter les moteurs et les capteurs (odomètres, capteurs de ligne, capteurs infra-rouges et capteur de distance). De cette façon, le robot peut suivre la ligne et éviter des obstacles automatiquement.
- les fonctions à ecrire sont :
  - les fonctions de contrôle du système
  - les fonctions de suivi de ligne
  - les fonctions d'évitement des obstacles
  - les fonctions de contrôle des moteurs

Pour contrôler le système, on choisit un ATMega328P，il est le noyau du système, il est facile à programmer.

Pour la partie suivi de ligne, on choisit trois capteurs infra-rouges, on les place sous le robot. Selon les signaux reçu par ces capteurs, on peut contrôler les moteurs pour régler le direction de la voiture afin de bien suivre la ligne noirz.

Pour léviter l'obstacle, on choisit un capteur ultrason, c'est facile à réaliser. Par contre les ultrasons est influencé par l'environnement, la réflexion des ultrasons par terre aura une incidence sur la détection d'obstacles.

Pour le contrôle des moteurs, on doit concevoir une carte avec deux ponts en H et des composants.

L'ATmega328P est le coeur du robot, il peut traiter les signaux des capteurs et il transmet les résultats aux moteurs.

Semaine 2

Après des discussions avec mon encadrant, j'ai commencé mon projet par faire des commandes de matériaux pour les robots. Avec l'aide de certains sites qui vendent des éléments électronique (GoTronic, farnell, génération robot,etc) et selon le qualité, le prix et les dimensions de ces matériaux, j'ai finalement déterminé les matériaux nécessaires. Comme demandé j'ai prévu deux châssis avec des moteurs de différentes qualités.

Châssis 1

1.Kit roue + moteur
2.Roue métallique OW006(roue libre 20mm)
3.Entretoise F/F 30mm:
- 3 pour les capteurs de ligne
- 2 pour le roue libre
- 4pour deux plaques
4.Assortiment de 330 vis KV330(Visserie)
5.plaque
6.Coupleur 6 piles R14 EC6L
7.Interrupteur H8650
8.Interrupteur optique KTIR0221DS
9.Encodage disque

Châssis 2

1.Motoréducteur WT751
2.Paire de moyeux alu 4 mm pour roues TAM6427
roue TAM6427 (64mm)
3.Roue métallique OW007 hauteur 20 mm
4.Entretoise F/F 30mm:
- 3 pour les capteurs de ligne
- 2 pour le roue libre
- 4 pour deux plaques
5.Assortiment de 330 vis KV330(Visserie)
6.plaque
7.Encodage disque
8.Coupleur 6 piles R14 EC6L
9.Interrupteur H8650

Il n'est pas possible de trouver des plaques pré-découpées ni les encodeurs disques. Donc, nous devrons les fabriquer nous-mêmes avec la découpeuse laser.

Semaine 3

En vue de fabriquer les plaques et les disques encodeurs avec la découpeuse laser, il faut d'abord dessiner des plans. Avec l'aide du logiciel inkscape et du site w3schools, j'ai finalement obtenu les dessins des plaques et des encodeurs.

Plaque du dessous

Le SVG de la plaque

 <svg width="400mm" height="400mm">
 <rect x="00mm" y="00mm" rx="20mm" ry="20mm" width="120mm" height="220mm" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1;opacity:1"/>
 <rect x="24mm" y="60mm" width="6mm" height="20mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="pink" fill-opacity="0"/>
 <rect x="20mm" y="67mm" width="14mm" height="6mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="pink" fill-opacity="0"/>
 <circle cx="37.625mm" cy="70mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <rect x="89mm" y="60mm" width="6mm" height="20mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="blue" fill-opacity="0"/>
 <rect x="85mm" y="67mm" width="14mm" height="6mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="blue" fill-opacity="0"/>
 <circle cx="81.375mm" cy="70mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <rect x="20mm" y="85mm" width="3mm" height="12mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="yellow" fill-opacity="0.0"/>
 <rect x="-1mm" y="85mm" width="3mm" height="12mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <rect x="97mm" y="85mm" width="3mm" height="12mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <rect x="118mm" y="85mm" width="3mm" height="12mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="31.5mm" cy="200mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="88.5mm" cy="200mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="20mm" cy="210mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="100mm" cy="210mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/
 <circle cx="20mm" cy="10mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="100mm" cy="10mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="35mm" cy="15mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="85mm" cy="15mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="60mm" cy="10mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <rect x="59.25mm" y="95mm" rx="1.5mm" ry="1.5mm" width="3mm" height="30mm" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1;opacity:1" />
 <rect x="39.25mm" y="95mm" rx="1.5mm" ry="1.5mm" width="3mm" height="30mm" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1;opacity:1" />
 <rect x="59.25mm" y="145mm" rx="1.5mm" ry="1.5mm" width="3mm" height="30mm" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1;opacity:1"/>
 <rect x="39.25mm" y="145mm" rx="1.5mm" ry="1.5mm" width="3mm" height="30mm" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1;opacity:1"/>
 </svg>

le dessin de la plaque

Plaque du dessus

Le SVG de la plaque

 <svg width="400mm" height="400mm">
 <rect x="00mm" y="00mm" rx="20mm" ry="20mm" width="120mm" height="220mm" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1;opacity:1"/>
 <rect x="59.25mm" y="45mm" rx="1.5mm" ry="1.5mm" width="3mm" height="30mm" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1;opacity:1" />
 <rect x="39.25mm" y="45mm" rx="1.5mm" ry="1.5mm" width="3mm" height="30mm" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1;opacity:1" />
 <rect x="79.25mm" y="45mm" rx="1.5mm" ry="1.5mm" width="3mm" height="30mm" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1;opacity:1" />
 <rect x="59.25mm" y="155mm" rx="1.5mm" ry="1.5mm" width="3mm" height="30mm" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1;opacity:1"/>
 <rect x="39.25mm" y="155mm" rx="1.5mm" ry="1.5mm" width="3mm" height="30mm" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1;opacity:1"/>
 <rect x="79.25mm" y="155mm" rx="1.5mm" ry="1.5mm" width="3mm" height="30mm" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1;opacity:1"/>
 <circle cx="31.5mm" cy="200mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="88.5mm" cy="200mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="20mm" cy="210mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="100mm" cy="210mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="20mm" cy="10mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="100mm" cy="10mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="35mm" cy="15mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="85mm" cy="15mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="60mm" cy="10mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="60mm" cy="10mm" r="1.55mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <rect x="50.5mm" y="200mm" width="19mm" height="13mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="yellow" fill-opacity="0"/>
 <circle cx="15mm" cy="140mm" r="6mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="15mm" cy="190mm" r="6mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="15mm" cy="35mm" r="6mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="105mm" cy="140mm" r="6mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="105mm" cy="190mm" r="6mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="105mm" cy="35mm" r="6mm" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 </svg>

le dessin de la plaque

Disque 1

Le SVG du disque 1

 <svg height="240" width="240">
 <circle cx="120" cy="120" r="120" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="120" cy="120" r="30" stroke="black" stroke-width="1" fill="#FF00FF" fill-opacity="0.0"/>
 <rect  x="72.5" y="92" width="25.5" height="56" style="fill:rgb(255,255,255);stroke-width:1;stroke:rgb(255,255,255)" />
 <rect  x="140.5" y="92" width="22" height="56" 
 style="fill:rgb(255,255,255);stroke-width:1;stroke:rgb(255,255,255)" />
 <line x1="100" y1="97.46" x2="100" y2="142.36" style="stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1" />
 <line x1="140" y1="97.46" x2="140" y2="142.36" style="stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1" />
 <defs> 
 <polygon id="MyRect" points="110,15.5 130,15.5 127,49.5 113,49.5 " style="fill:rgb(255,255,255);stroke:rgb(0,0,0);stroke-width:1" />
 </defs> 
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(0 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(18 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(36 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(54 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(72 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(90 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(108 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(126 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(144 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(162 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(180 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(198 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(216 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(234 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(252 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(270 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(288 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(306 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(324 120 120)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(342 120 120)"/>
 </svg>

le dessin du disque 1

Disque 2

le SVG du disque 2

 <svg height="500" width="500">
 <circle cx="200" cy="200" r="100" stroke="black" stroke-width="1" fill="#00FFFF" fill-opacity="0.0"/>
 <circle cx="200" cy="200" r="27.5" stroke="black" stroke-width="1" fill="#FF00FF" fill-opacity="0.0"/>
 <defs> 
 <g id="MyRect" >
 <polygon points="190,60 214,60 212,100 192,100" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:black";stroke-width:1" />
 <rect x="193" y="95" width="18" height="20" style="fill:rgb(255,255,255);stroke:no";stroke-width:1" />
 </g>
 </defs> 
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(0 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(18 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(36 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(54 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(72 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(90 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(108 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(126 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(144 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(162 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(180 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(198 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(216 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(234 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(252 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(270 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(288 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(306 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(324 200 200)"/>
 <use xlink:href="#MyRect"  transform="rotate(342 200 200)"/>
 </svg>

le dessin du disque 2

Les fixations du moteur

Le SVG des fixations

 <svg width="400mm" height="400mm">
 <rect x="00mm" y="00mm" width="15mm" height="5mm" style="fill:none;stroke:black;stroke-width:1"/>
 <rect x="2mm" y="5mm" width="11mm" height="27mm" style="fill:none;stroke:black;stroke-width:1"/>
 <rect x="6mm" y="7mm" width="3mm" height="7mm" style="fill:none;stroke:black;stroke-width:1"/>
 <circle cx="7.5mm" cy="28mm" r="2mm" style="fill:none;stroke:black;stroke-width:1"/>
 </svg>

le dessin des fixations

Semaine 4

Je commence à concevoir la carte principale.

La carte principale est conçue avec deux ponts en H, des composants CMS, des connecteurs RJ11 et un micro-contrôleur de type AVR. Elle peut contrôler les moteurs (avancer, tourner, arrêter), traiter les signaux qui sont transmis par des capteurs et transmettre les résultats aux moteurs, etc.

Le schéma principal de cette carte:

Selon les conseils de mon encadrant, j’ai choisi un ATMega328P pour contrôler le système, trois capteurs infra-rouges servant à suivre la ligne noir et un capteur ultrason pour éviter l'obstacle. En plus, pour le contrôle des moteurs, le circuit TB6612FNG est un choix déjà éprouvé.

Pour créer cette carte, il faut d'abord établir une schématique qui permet de décrire le circuit électronique et un PCB qui est le circuit avec ses pistes de cuivre sur lequel les composants seront soudés.

Le schéma électronique est dessiné sur le logiciel Fritzing:

La partie USB permet de programmer le micro-contrôleur, la partie alimentation pour alimenter circuit USB, circuit contrôleur de moteur et micro-contrôleur, la partie micro-contrôleur avec son oscillateur externe pour contrôler le système et enfin la partie controleur de moteurs.

Semaine 5

Ensuite j'ai effectué le routage et obtenu le PCB:

La carte peuvent être regroupée en quarte parties: La partie USB permet de programmer le micro-contrôleur, la partie alimentation pour alimenter circuit USB, circuit contrôleur de moteur et micro-contrôleur, la partie micro-contrôleur avec son oscillateur externe pour contrôler le système et enfin la partie moteur permet de contrôler les moteurs.

La partie d’alimentation

La partie alimentation permet de fournir la tension adaptée aux autres parties . J’ai conçu cette partie de telle sorte qu'elle puisse être alimentée via une alimentation externe(pile de 9V). Avant d’alimenter les autres partie en 5V, j’ai donc rajouté un régulateurs qui converti la tension de source en 5V.

La partie USB

L'élément principal de cette partie est l’adaptateur FT232RL qui est une interface série USB vers UART. Il peut être utilisé pour programmer le microcontrôleur La partie moteur

La partie moteur

Le driver TB6612FNG permet de commander 2 moteurs à courant continu dans les 2 sens de rotation avec variation de vitesse (PWM). Cette partie sert à contrôler la vitesse et le sens de moteur.

La partie microcontrôleur

L’objectif de cette partie est de contrôler le système. Elle peut analyser et traiter les signaux qui sont transmis par des capteurs. le disque encodeur contient des petit trous. Le capteur infrarouge contient un émission infrarouge et une réception infrarouge en parallèle. Quand le moteur tourne, de par les trous dans le disque encodeur, la réception infrarouge peut soit recevoir le signal soit non. Donc le microcontrôleur va recevoir les impulsions des odomètres et en fonction du nombre d'impulsions, réguler la vitesse des moteurs pour que le robot aille droit. C'est aussi le microcontrôleur qui permet d'arrêter le robot à l'approche des obstacles en mesurant la distance de ces obstacles avec le capteur ultrasons (HC-SR04). Il suffit d’envoyer une impulsion de 10us en entrée et le capteur retourne une largeur d’impulsion proportionnelle à la distance mesurée.

Enfin,le micro-contrôleur permettra aussi de suivre une lignes. Les trois capteurs infrarouge sont placés sous le robot. Réguler le direction du robot en fonction des valeurs retournées par ces capteurs afin de bien suivre la ligne noir.