Contrôle de bras robotique, 2012/2013, TD2

Evaluation informatique et électronique

Gestion de projet / rédaction Wiki

• Informatique :

• Electronique :

Note .

Test fonctionnels

• Sous-système.
  • Sous-système informatique :
  • Sous-système électronique :

Qualité de la réalisation

• Informatique : Note .
  • procédure de test :
  • pages HTML et Javascript :
  • scripts PHP ou programmes C :
  • installation sur FoxBoard :
• Electronique : Note .
  • qualité de la réalisation :
  • tests autonomes :

Bilan

Note finale :

Rapports des élèves

Objectifs du projet :

• Réaliser une interface Web pour le pilotage du bras robotique. Elle doit permettre de commander les différents actionneurs du bras (rotation de la base, mouvement du bras, ouverture/fermeture de la pince, allumage/extinction de la LED).

• Afficher toutes les informations retournées par le système, à savoir :
  • Angles des membres du robot (grâce à des accéléromètres);
  • Présence d'objets déposés devant le bras (capteurs de pression).

Le projet se décompose en trois parties :

• Partie Electronique : Réalisation d’un convertisseur analogique numérique (CAN) permettant de récupérer la pression exercée sur un capteur de pression.

Pour la réalisation du CAN, nous avions besoin d’un mélange d’électronique numérique (NanoBoard) et d’électronique analogique (comparateurs, résistances…). La gestion électronique des accéléromètres est déjà effectuée par le biais d'une platine Arduino, il ne nous appartient pas de la concevoir.

• Partie Informatique : Conception d'une interface WEB dynamique grâce à plusieurs langages de développement et leur librairies. Le tout est ensuite embarqué sur une FoxBoard, serveur directement relié au bras robotique et à un réseau TCP/IP. Ceci permet de commander le bras n’importe où tant qu'on est connecté à la FoxBoard via le réseau, et si ce réseau est internet alors le bras peut-être piloté depuis n'importe où dans le monde.

• Intégration : Partie clé, associant le travail des deux parties précédentes et finalisant le projet. L'informatique et l'électronique communiquerons par le biais d'une liaison série.

Gestion de projet | Equipe :

Pour ce projet nous étions une équipe de trois personnes, Benjamin LAFIT, Mathieu GERIER et Valentin VERGEZ.
Dans la répartition des tâches nous avons choisi d'affecter un responsable sur chaque partie, Mathieu à l'électronique et Valentin à l'informatique. Benjamin était alors chargé de faire la liaison entre les deux, d'apporter son aide à chacun selon les besoins et s'assurer que les deux parties aboutiraient ensembles pour ensuite passer à l'intégration électronique/informatique.

Finalement, la partie électronique s'annonçant plus compliquée pour nous, Benjamin, en plus de son rôle d'intermédiaire, a surtout pris en charge la partie électronique analogique tandis que Mathieu se spécialisait sur l'aspect électronique numérique.

PARTIE INFORMATIQUE

Sur cette partie, nous avons à notre disposition un banc d'essai composé de plusieurs éléments :

• Une FoxBoard, faisant ici office de serveur WEB;
• Trois accéléromètres gérés par une platine Arduino MEGA;
• Un bras robotisé;
• Quatre capteurs de pressions (non gérés électroniquement).

Le bras robotisé peut-être connecté en USB à un ordinateur (et donc à la FoxBoard) où un démon pourra être utilisé pour le piloter.
La platine Arduino elle, peut être relié à un ordinateur aussi mais communique via liaison série. A chaque fois qu'un octet sera reçu par l'Arduino, un paquet de quatre octets contenant les valeurs des accéléromètres est renvoyé.

Séance 1

Séance 1 :

La première séance a servi à comprendre le lien entre le logiciel Altium et la NanoBoard. Sur Altium, des composants sont mis à disposition (bascules RS, D, des compteurs…). Le but est, à partir de ces composants, de les relier pour concevoir le système désiré (ici un CAN). Ensuite, le système ainsi réalisé est adapté pour fonctionner sur la NanoBoard.

Schéma de principe :

Le Convertisseur analogique numérique), à partir d’une Modulation à Largeur d'Impulsions (MLI) aussi appelée PWM , permet de comparer la valeur de la tension PWM avec la tension du capteur de pression afin de connaître la valeur de ce dernier. Pour cela, nous avons du adapter les tensions du capteur et de la PWM pour que les résultats puissent correspondre. C’est-à-dire que lorsque le capteur ne reçoit aucune pression, la valeur de la tension est par exemple de 3.3V alors la PWM doit être au maximum à 3.3V.

La PWM sera crée par la Nanoboard. Ce signal sera dans la partie analogique, filtré par un filtre passe-bas puis comparé avec un comparateur.

schéma de déroulement :

La valeur du capteur de pression sera donnée par la PWM, lorsque la la tension de la PWM sera supérieure à la valeur du capteur, le comparateur enverra un 1 logique ou 5V (0 sinon) au fpga qui enregistrera la valeur du rapport cyclique de la PWM dans un registre 8 bits. Ce résultat sera alors envoyé périodiquement par liaison série à la FoxBoard.

Lorsque le sujet était clair, des tests sur Altium ont été effectués. Un bloc PWM était mis à notre disposition afin de voir comment cela fonctionner. Nous avons ensuite crée notre propre PWM et nous sommes arrivés à cela :

Exemple de MLI

Dans ce schéma, il y a deux compteurs. Le premier, qui compte jusqu'à 256, représente la période de la PWM et le second quant à lui permet de faire varier la rapport cyclique. Plus le rapport cyclique du signal est grand, plus la valeur de la tension de la PWM sera grande.

Le deuxième compteur servant à générer le rapport cyclique doit varier à chaque nouveau comptage de la PWM. Par exemple, le compteur U5 est initialement à 0, le compteur U4 compte jusqu'à 256, puis retombe à 0. Lorsqu'il est égal à 0, il incrémente le compteur U5 grâce à la broche CEO et passe ainsi à 1, ainsi de suite jusqu'à son maximum qui est T, la période de la PWM.

La fréquence de l'horloge est celle de la Nanoboard 50MHz. Cependant, nous avons eu recours à la CLKGEN afin de diminuer la fréquence à 1MHz et ainsi avoir une fréquence de PWM de 1MHz/256=3,9KHz.

Nous n'avons pas fini sur le fpga, il reste seulement la gestion de la mémorisation car on ne veut mémoriser la valeur du rapport cyclique de la PWM seulement quand nous avons la réelle valeur du capteur de pression.

Séance 2 :

Nous avons rajouté un registre 8 bits afin de mémoriser la valeur du capteur de pression lorsque l'on obtient une valeur du capteur.

Pour les tests, nous avons mis en sortie un panneau de 8 leds ainsi qu'un afficheur digital afin de visualiser le résultat et de pouvoir comparer le résultat à la pression que nous exercions sur le capteur.

La partie analogique a été également faite:

Pour le capteur de pression, nous avons ajouté des diviseurs de tension. Un pour réduire la tension d'entrée de 3.3V à 3V car le signal de la PWM va seulement jusqu'à 3V. Or, si le capteur présente une tension de 3.3V, nous ne pouvons trouver aucun résultat. Ensuite, le deuxième sert à avoir un équivalent en tension de la pression exercé sur le capteur. Lorsque le capteur est mis fortement sous pression, l'équivalent en tension est de 0V (en pratique il est légèrement supérieur à 0V), alors que lorsque le capteur n'est exercé à aucune pression, l'image en tension est de 3V. Le comparateur a pour valeur de référence 0V et 5V afin de pouvoir communiquer correctement avec la Nanoboard qui peut recevoir 0V, ce qui correspond à un 0 logique et 5V, ce qui correspond à un 1 logique.

Le filtre passe bas appliqué sur la PWM permet de transformer le signal carré de rapport cyclique variable en une rampe de tension.. On obtient donc un signal en dent de scie correspondant à la variation de notre PWM. Ce signal sera ensuite facilement comparable avec l'image de la tension issue du capteur.

Définition des valeurs des composants:

• Composants du filtre passe bas :

la fréquence de résonance devait être inférieure à la fréquence du système (1Mhz/256 = 3.9KHz).

=> fc < fs (fréquence du système)

fc < 3.9KHz

Or on sait que : fc = 1/(2piRC)

=> C = 330nF R = 2K ohms

Nous avons utilisé un potentiomètre afin d'ajuster la valeur de la résistance et ainsi obtenir un signal en dent de scie le plus linéaire que possible (avec peu de variations entre deux variations de rapport cyclique) de manière à augmenter la précision du résultat.

• Composants du diviseur de tension avec capteur de pression

Il suffisait seulement ici d'avoir une variation de la tension image du capteur, entre 0V et 3V. Pour cela nous avons mis une résistance de 10k ohms en association avec le capteur de pression pour former un diviseur de tension. De cette façon nous récupérons une image en tension de la valeur du capteur de pression (proportionnelle à la pression exercée sur le capteur).

• Composants du premier diviseur de tension

Il fallait respecter l'adaptation d'impédance. Il fallait donc avoir une impédance beaucoup plus grande en sortie du diviseur de tension.

Soit que la résistance en sortie du diviseur de tension soit beaucoup plus grande (environ 10 fois) que l'impédance relié à la masse.

On a donc choisi une résistance de 1K ohms pour la résistance connectée à la masse et pour celle en entrée nous avons pris une valeur de 100 ohms afin d'abaisser la tension de 3.3V à 3V afin qu'elle soit légèrement en dessous de la valeur maximale de la tension de la PWM de sorte qu'elle puisse être comparée facilement.

Séance 3 :

Voici les tests effectués lors de la troisième séance :

schema 1

Dans ce schéma, nous pouvons voir en vert, l'image en tension du capteur de tension, en jaune, la valeur de la PWM filtrée. Ensuite, le signal en bleu est la sortie du comparateur. On peut voir sur ce signal que lorsque la valeur du capteur de pression est égale à la valeur de la PWM filtrée, la sortie du comparateur passe de 0 logique à 1 logique. Cependant, on peut voir lors du passage de 0 à 1, le signal change d'état beaucoup de fois. Ce changement d'état est dû à cause de la PWM qui est en forme de dent de scie.

schéma 2 : PWM filtrée

Comme, on peut le voir sur le schéma 2, le signal étant en dent de scie, on peut voir que le signal bleu correspondant à la valeur du capteur est égal plusieurs fois à la valeur de la PWM filtrée. Ceci explique donc pourquoi dans le schéma 1, le signal bleu change d'état plusieurs fois.

Pour corriger cette erreur, nous avons créer un système qui permet, à partir de la première égalité entre la PWM filtrée et la valeur en tension du capteur de pression, d'avoir un 1 logique jusqu'à la fin de la période de PWM.

Voici le système de correction des changements d'états :

Système de correction d'erreur

Le système est constitué d'une bascule RS, qui permet lorsque pour la première fois la sortie du comparateur passe à 1, de mettre la sortie de la bascule à 1, ensuite quelque soit la valeur de la sortie du comparateur, le résultat de la bascule RS reste inchangé, puis lorsque l'on arrive en fin de la période de la PWM, la donnée de la bascule RS passe à 0. Le signal corrigé est le signal rose du schéma 1.

remarque : le CAN donnera seulement une valeur approximative de la valeur du capteur de pression.

Séance 4 (Supplémentaire) :

Voici le schéma complet d'Altium :

Nous avons utilisé des blocs déjà utilisés pour la liaison série (émission et réception). Ils fonctionnent à la fréquence de la NanoBoard, c'est-à-dire 50MHz

De plus, nous avons crée un bloc pour simuler 4 capteurs :

Lorsque une donnée valide est reçu sur le bloc émission (déjà fourni sur Altium), le compteur U13 compte afin de choisir les voies où se situent les données à envoyer. la première donnée où la valeur est nulle sert d'indicateur afin d'envoyer correctement et dans l'ordre les données par liaison série. Le fait d'avoir ajouté un 0 en début permet que les informations reçues sur l'ordinateur ne soient pas décalées, soit faussées.

peut-être à compléter

PARTIE COMMUNICATION

Cette partie a été la plus dure, car il fallait connaître les attentes des parties informatiques et électroniques. Il a fallu corriger quelques détails afin que la communication par liaison série (RS232) se fasse correctement.

Ici il faudrait détailler un peu plus. J'ai parlé de la partie liaison série un peu sur partie électronique mais je ne savais pas quoi mettre d'autre ici

CONCLUSION

Ce projet nous a permis de découvrir le monde des systèmes communicants (SC) ainsi que de travailler sur deux domaines différents : l'électronique et l'informatique. Nous avons pu collaborer ensembles. Les idées ont été discutées, argumentées et sélectionnées afin d'en garder les plus importantes. La partie informatique nous a permis de nous familiariser avec les protocoles Web, de nouveaux langages ont été acquis durant ces séances comme le Php, Jquery, JavaScript... Pour ce qui est partie Electronique, nous avons travaillé sur l'électronique numérique et l'électronique analogique et fait marcher ensemble ces deux systèmes pour ainsi créer un Convertisseur Analogique Numérique. Le plus dur a été de faire la liaison entre la partie informatique et électronique. Cela nous a montré à quel point il était important de définir un cahier des charges précis car dans le cas contraire, les deux parties peuvent marcher mais ne sont pas compatibles.