Navigation d’un robot détecteur d’obstacle

Licence pro EEAII | Electronique de puissance | April 12, 2014

Navigation d’un robot détecteur d’obstacle

LE RAPPORT EST A PROPOS D’UN ROBOT QUI PEUT NAVIGUER SANS ETRE

ENDOMMAGE PAR LES OBSTACLES. AUTREMENT DIT, LE ROBOT NAVIGUE, IL

DETECTE L’OBSTACLE, IL L’EVITE ; LE ROBOT CONTINU A NAVIGUER, ET AINSI DE

SUITE…


LICENCE PROFESSIONNELLE EEAII 2014 P. 1

Pour diverse raisons, ce rapport prend pour support

l’électronique de puissance, qui est à son rôle basé

essentiellement sur les moteurs de tous genres (MCC, MAS…)

De plus, l'essentiel pour la réalisation théorique ou même

pratique de ce projet, est la façon avec laquelle on devrait faire

naviguer le robot, détecter l’obstacle et l’éviter.

Pr. N. E. Radhy

EL HAMDAOUI Hamza

HARITE Mohamed Sadek

MOURACH Khalid

RABII Oifaa

SADEK Yassine

TALIT Ayoub



Sommaire

I. Introduction

II. Schéma de conception………………….…………………..……... .4

III. Etude théorique …………………………………………..…………. .6

Le capteur ultrason……………………………….…………. .6

Principe de fonctionnement du capteur US………….. .6

Le son………………………………………………….………… .6

La vitesse du son dans l’air……………………..……………8

Le temps de parcours de l’onde…………….…………….10

Etude de possibilité d’ajout d’un capteur de

position………………………………………………………… .13

IV. Description …………………………………………………..……….. 15

V. Programmation…………………………………..……………………17

VI. Partie mécanique……………………………………………………..21

VII. Cahier de charge……………………..……………………………….22

VIII. Conclusion



Introduction

Robotiser est un terme qui est devenue de plus en plus intéressant due

à son importance dans tous les domaines, précisément en domaine de

l’électronique et l’électronique de puissance, en revanche, c’est un

besoin impératif pour la réalisation des plusieurs des taches qui sont

difficiles pour un être humain, ou de même, qui demande la routine

lors de leur réalisation.

Il est d’un tel avantage en termes de qualité, précision et de rapidité,

que le recours à cette technique assure une intégration complètes au

domaines de travail, soit pour effectuer des instructions au temps

demandé, ou pour échanger des infos, et tous cela passe surement

d'une façons inévitablement souple.

Fleuron des progrès de la technologie, les robots sont aujourd'hui

présents dans tous les secteurs (industrie, administration, notre propre

appartement). Les différents traitements qu'ils permettent de réaliser

ont conduit à l’amélioration de nos besoins au quotidien.

L’intérêt majeur de ce projet est attribué à la recherche d’une solution

simplifiant la navigation ou bien la mobilité du robot en évitant tout

obstacle ; avec un circuit programmable à prix réduit, pour essayer

d’éviter tout gaspillage d’électricité.



Schéma de conception

Le concept est classique : le robot avance et un détecteur mesure la

distance aux obstacles situés devant. En dessous d'un certain seuil, il

effectue une manœuvre d'évitement. Ce comportement est intégré au

programme d’Arduino.

Pour la détection des obstacles, on a opté pour le capteur ultrasonore.

Les ondes ultrason se mises au travail pour détecter la distance. Ce

système présente l'avantage d'être très précis, mais l'inconvénient de

pouvoir être ébloui par les sources fortement acoustiques, comme les

espaces bien agglomérés. De plus, il prend sa mesure sur une zone très

ponctuelle, paramètre à prendre en compte dans la conception si on

ne veut pas rater un éléphant sous prétexte qu'il n'est pas bien en face.



Outre, le capteur ultrasonore est considéré comme un détecteur

classique, mais il est plus cher et a d'autres faiblesses, notamment sa

sensibilité aux échos parasites. Le détecteur idéal est le télémètre laser

mais on n’est pas riche à ce point-là.

Concept générale : Le robot est piloté par la carte Arduino qui lit les

capteurs et actionne les moteurs via un programme bien écrit. Les

moteurs sont assez costauds et tirent un bonne ampère en usage

normal et peuvent monter à 3 si on les sollicite un peu, d'où la nécessité

d'une carte qui tient la route !



Etude théorique

Le capteur ultrason (US) :

Cette partie purement théorique n'a pour but que de vous expliquer le

fonctionnement du capteur d'ultrasons.

Les capteurs à ultrasons sont certainement les capteurs les plus utilisés

en robotique. La raison en est qu'il peut fournir une information très

importante au robot, à savoir la distance le séparant des obstacles

autour de lui, qu'il est simple et donc peu chère.

De plus, il utilise un principe de fonctionnement que l'on retrouve dans

la nature chez certains animaux pour se localiser. Comme par exemple

la chauve-souris. Alors pourquoi s'en priverai-t-on sur les robots ?

Principe de fonctionnement du capteur US :

Commençons donc par le commencement. Pourquoi des ultrasons et

d'ailleurs qu'est-ce que c'est que ça ? Alors, comme dans le mot

ultrason on trouve le mot son, commençons d'abord par voir ce qu'est

un son.

Le son :

Le son, tout le monde croit savoir ce que c'est. C'est ce que l'on entend

avec nos oreilles ! Effectivement, c'est le cas, nous le captons par nos

oreilles. Mais physiquement parlant, le son qu'est-ce que c'est ?

Des particules, des rayons, des ondes .... ?

Eh bien, il s'agit d'une onde. Et plus exactement d'une onde de

compression. De compression .... Mais c'est quoi qui est compressé ?

C'est l'air qui nous entoure qui est compressé. Quand nous parlons,

nous faisons bouger les cordes vocales dans notre gorge. En se

déplaçant, les cordes vocales déplacent l'air qui les entoure. Les



molécules d'air sont donc compressées les unes sur les autres. Cette

compression provoque le déplacement des autres molécules d'air

présentes à côté des premières, ce qui les compressera également et

mènera au déplacement des molécules suivantes. Et ainsi de suite. Il en

résulte une onde de compression qui se propage dans l'air sous forme

d'une variation de pression. Toutes les sources sonores utilisent le

même principe, comme un haut-parleur par exemple dont la

membrane vibre au rythme du son à reproduire.

Notez, tout de même, que les molécules d'air ne se déplacent que de

quelques micromètres. Il n'y a que l'onde de compression qui se

déplace au-delà. Vous pouvez visualiser le même phénomène en

observant des ronds dans l'eau, les vagues se déplacent mais l'eau

reste au même endroit, elle ne fait que se déplacer verticalement et

non suivre les vagues. De même, un bouchon placé sur l'eau reste à la

même position sans se déplacer. En fait, le son n'est qu'un simple

déplacement d'air. Le son se propage également dans les solides sous

forme de vibrations des atomes. Là encore, les atomes ne font que

vibrer très faiblement et ne se déplacent pas. Seule la vibration se

propage.

Tous les sons se propagent de la même manière, y compris les

ultrasons ! C'est quoi la différence alors ? Eh bien, la différence entre

un son et un ultrason réside dans leurs fréquences.

En effet, une onde sonore peut être représentée sous une

forme sinusoïdale. C'est à dire sous forme de vague, comme les vagues

se déplaçant sur l'eau. C'est forme sinusoïdale est périodique, c'est à

dire qu'elle dispose d'une période qui s'exprime en seconde ou en un

de ses sous-multiples comme la milliseconde (un millième de seconde)



Ou la microseconde (un millionième de seconde).

Cette période correspond à la durée de la sinusoïde avant qu’elle ne se

répète. C'est pour cela que l'on dit que cette forme d'onde est

périodique, car elle se répète périodiquement à intervalle régulier. Cet

intervalle étant la période de temps que dure la sinusoïde.

Une image valant tous les discours, voici une onde sinusoïdale de type

ultrasonore ayant comme période une durée de 25 microsecondes.

La vitesse du son dans l'air

Les sons et les ultrasons se déplaçant dans l'air, ils s'y déplacent donc

avec une certaine vitesse exprimée en mètres par seconde.

Cette vitesse de déplacement du son dans l'air dépend de plusieurs

paramètres, tels que la pression atmosphérique de l'air, la densité de

l'air ainsi que la température de l'air. Tout cela pourrait paraitre

compliqué, mais vous allez voir qu'il n'en est rien !



Regarder donc l'image ci-dessous :

V représente la vitesse du son ou de l'ultrason dans l'air en mètres par

seconde. T représente la température de l'air en KELVIN, c'est à dire la

température en degrés Celsius plus 273,15 (K = °C + 273,15) Le chiffre

de 1,4 représente la masse volumique de l'air.

R représente la constante spécifique de l'air (281,8 Joules/Kg)

Ainsi, une simple application de cette formule vous donnera la vitesse

approximative des ultrasons dans l'air à une certaine température

ambiante. Par exemple, si nous prenons une température ambiante de

20°C

La vitesse des ultrasons à 20 °C serait de 340 mètres par seconde.

Heu ... La vitesse change en fonction de la température ? Oui, la vitesse

varie en fonction de la température de l'air .... Mais très faiblement !

D'ailleurs, si vous effectuez à nouveau le calcul ci-dessus mais pour une

température de 25 °C vous obtiendrez une vitesse de 343 m/s. La

variation est donc très faible car inférieure à 1 %. Eh bien bonne



nouvelle ... Vous n'aurez pas à faire ces calculs vous-même pour utiliser

le capteur d'ultrasons, car celui-ci utilise déjà en interne une valeur de

vitesse pour les ultrasons paramétré à 341 m/s. Cette partie théorique

n’a pour objectif que de vous cultiver sur les ultrasons.

Le temps de parcours de l'onde

Pour mesurer une distance avec des ultrasons, il faut d'abord connaître

leur vitesse de déplacement. C'est ce que nous venons de voir. Elle est

de l'ordre de 340 mètres par seconde, ce qui correspond à plus de 1200

Kilomètres par heure ! Sachant cela, il est donc facile de déterminer la

distance qu'a parcourue l'onde ultra sonore si nous connaissons le

temps qu’elle a mis pour parcourir cette même distance. Regarder

donc l'image ci-dessous :

Elle démontre la manière de calculer la distance qui sépare le capteur

d'ultrasons à un obstacle. Vous y voyez déjà deux petits cercles

nommés E et R. Ils correspondent, en fait, aux deux ronds que vous

pouvez voir sur votre capteur d'ultrasons. Le cercle E

représente l'émetteur d'ultrasons, l'espèce de haut-parleur qui va



émettre les ultrasons. Le cercle R représente le récepteur d'ultrasons,

l'espèce de microphone qui va recevoir les ultrasons émit par

l'émetteur. Suivons donc, sur l'image ci-dessus, le parcours de l'onde

ultra sonore. Elle est tous d'abord émise par l'émetteur du capteur

d'ultrasons, puis parcoure une certaine distance d avant de toucher

l'obstacle. Par exemple, un mur. L'onde est ensuite réfléchie par

l'obstacle, c'est la réflexion de l'onde. C'est à dire quelle est renvoyée

par l'obstacle en rebondissant sur celui-ci. Enfin, elle doit parcourir à

nouveau la même distance d, en sens inverse, avant d'être reçue par le

récepteur du capteur d'ultrasons. Vous remarquez donc que l'onde

doit parcourir 2 fois la distance qui sépare le capteur d'ultrasons de

l'obstacle. C'est pour cela que vous retrouvez 2 d dans la formule

contenue dans l'image. Imaginons maintenant que la

distance d séparant le capteur d'ultrasons de l'obstacle soit de 170

mètres. Une distance impossible à mesurer pour le capteur, puisque

celui-ci ne mesure pas plus loin que 2,5 mètres, mais qui a ici une valeur

purement démonstrative sur le plan pédagogique.

Appliquons la formule de l'image ci-dessus :

L'onde ultra sonore devant parcourir 2 fois la distance d de 170 mètres,

elle parcoure donc 340 mètres au total. Comme sa vitesse est de 340

mètres par seconde, elle parcoure donc bien ces 340 mètres en une

seconde. La formule est donc correcte. Elle permet de faire le lien entre

la distance que parcourent une onde et le temps qu’elle met pour le

faire. Toutefois, ce n'est pas le temps que met l'onde pour parcourir

une certaine distance qui nous intéresse. Ce serait plutôt la distance

elle-même ! Eh bien, il faut savoir que dans votre capteur d'ultrasons,

il y a une espèce de chronomètre qui mesure précisément le temps qui

passe entre le moment où l'émetteur envoi l'onde ultrasonore et le

moment où le récepteur l'a reçoit. Le temps t n'est donc plus calculé

mais mesuré ! Cela veut dire que lorsque le capteur d'ultrason effectue



une mesure, il émet une onde ultra sonore et mesure le temps qui

passe jusqu'à ce qu'il l'a reçois. De ce fait, la seule inconnue est donc

la distance. Il suffit pour cela d'une petite transformation de la formule

ci-dessus, car nous voulons maintenant calculer la distance d :

Ainsi, par exemple, si le capteur d'ultrasons mesure un temps de 5

millisecondes (0,005 seconde) entre l'émission et la réception de l'onde

ultrasonore.

Cela veut dire que l'onde a parcourue 1,7 mètres au total et que donc

l'obstacle ce trouve à une distance de 0,85 mètre. Et puisqu'une bonne

nouvelle n'arrive jamais seule, vous n'aurez pas besoin là non plus de

faire ce calcul vous-même car le capteur d'ultrasons le fera pour vous.

De sorte que, puisqu'il connaît la vitesse de l'onde ultra sonore ainsi

que son temps de parcours à chaque mesure, il peut calculer la distance

qui le sépare de l'obstacle.

Si l'on ne souhaite pas développer un détecteur à ultrasons, il existe

sur le marché des modules sonars dédiés à ce type d'applications.

Ce Sonar utilise un module à ultrasons MSU04 disponible chez tous les

fournisseurs de matériels électroniques.



Etude de possibilité d’ajout d’un capteur de position :

Pour améliorer les performances de notre robot afin qu’il puisse mieux

naviguer on a attribué à la réalisation une solution simplifiant la

mobilisation, pour essayer d’éviter tout gaspillage d’électricité.

Les caractéristiques des capteurs de position magnétiques ne sont pas

critiques. Les bobines décrites ici, ne sont qu'un exemple qui

fonctionne. Il est possible d'augmenter le nombre de spires pour

accroître la sensibilité du capteur, ou d'écarter ou de rapprocher ces

capteurs l'un par rapport à l'autre. Le seul critère à respecter, est que

les deux capteurs doivent être identiques. Ces bobines sont constituées

chacune de 100 spires de fil émaillé de diamètre 0.3mm,

montées sur un barreau de ferrite de longueur 170mm et de 10mm

diamètre. Ces deux bobines sont écartées de 10mm l'une de l'autre.



La valeur de la tension aux bornes d'une bobine est

donc proportionnelle à la fréquence. La tension V(t) doit être pondérée

par un facteur k dépendant de la hauteur des capteurs par rapport au

sol.

La tension sinusoïdale issue de chaque bobine est amplifiée, redressée

(sans seuil) puis filtrée. Lorsque le robot s'écarte de l'axe du fil (par

exemple à droite), l'énergie reçue par le capteur droit

est plus importante que celle reçue par le capteur gauche.

La différence entre les signaux issus des deux bobines est une tension

continue représentative.

De l'écart entre le centre des capteurs et l'axe du fil.



Description L'architecture du robot repose sur une base de type "Suiveur de ligne".

De plus, Le robot peut être équipé de différents modules : suivi de

ligne, détection d'obstacles, bras de préhension, caméra ...La base

reçoit également la partie électronique et l'énergie (accumulateurs).

Comment serait-il apparait, le robot. Le tripode s'avère la solution

mécanique la plus simple à mettre en œuvre.

Deux moteurs à courant continu accouplés à deux roues par

l'intermédiaire de pignons de réduction, assurent la traction

et la direction du robot.

La stabilité est assurée par une roue folle située à l'arrière.

La batterie est fixée sous le châssis du robot, ce qui libère de la place

pour l'électronique. Les bobines de détection sont fixées à l'avant du

robot à 20cm de l'axe des roues. D'autres morphologies de robot



peuvent être envisagées. Les deux roues motrices indépendantes

permettent de diriger facilement le robot en faisant varier

la vitesse d'une des deux roues par rapport à l'autre.

Une autre solution consiste à utiliser des servomoteurs de radio

modélisme en guise de groupes motopropulseurs. Après les avoir

modifiés pour permettre à l'axe de rotation d'effectuer plus d'un tour,

ceux-ci représentent une alternative intéressante et compacte.

L'électronique interne au servomoteur n'est pas utilisée dans ce cas.



Programmation

Le programme ci-dessous est écrit en langage Aduino C due au

composant qui l’utilisera comme étant une base de commande :

/* Utilisation du capteur Ultrason HC-SR04 */

// définition des broches utilisées

#include <math.h> // bibliothèque des commande

int trig = 6; // function du capteur US

int echo = 5; // 2ème function du capteur US pour le mode écho

int M1D = 11; /* definition des pins des sorties et des entrer */

int M1G = 8; /* Le moteur 1 guache */

int M2D = 12; /* Le moteur 2 droite */

int M2G = 13; /* Le moteur 2 guache */

int B = 10;

int A = 9;

long lecture_echo;

long dis; /* La distance */

long cm; /* La valeur en cm */

long vit; /* La vitesse */



void setup() /* function void permet la pré-définition des

commandes avec un retenu null */

{ /* tous les OUTPUT sont des sorties, INPUT sont des entres ; le LOW

est 0V ; le HIGH est 5V */

pinMode(M1D, OUTPUT);

digitalWrite(M1D, LOW);

pinMode(M1G, OUTPUT);

digitalWrite(M1G, LOW);

pinMode(M2D, OUTPUT);

digitalWrite(M2D, LOW);

pinMode(M2G, OUTPUT);


pinMode(A, OUTPUT);

digitalWrite(A, LOW);

pinMode(B, OUTPUT);

digitalWrite(B, LOW);

Serial.begin(9600); // debit de transmition d’Arduino à PC

pinMode(trig, OUTPUT); // définir port trig du US comme sortie

digitalWrite(trig, LOW); // faire sortir de ce port 0v

pinMode(echo, INPUT); // définir port écho du US comme enter

Serial.begin(9600);



}

void loop() /* fonction boucle */

{

digitalWrite(trig, HIGH);

delayMicroseconds(10); // délais de 10us

digitalWrite(trig, LOW);

lecture_echo = pulseIn(echo, HIGH); // lire l’écho issue de US

dis = lecture_echo / 58; // fonction distance

Serial.print("val : "); /* permet d’écrir sur l’interface Arduino dans le

PC */

Serial.println(dis);

if(dis < 15)

{


digitalWrite(M1D, HIGH);

digitalWrite(A, HIGH);

digitalWrite(M2G, HIGH);


digitalWrite(B, HIGH);

delay(3000);

}



else

{



digitalWrite(A, HIGH);



digitalWrite(B, HIGH);

}

delay(10);

}



Partie mécanique Pour résumer notre projet en quelque mot, il nous faut au moins 10

pages, juste pour l’explication qui sera certainement d’un cas ou d’un

autre, ennuyeuse, donc la solution à suivre c’était de présenter le projet

en tant que sa partie mécanique sous des fichiers bien schématisés

(design) et bien rédiger, afin que tout le monde puisse le bien

apprendre.

La conception de cette partie s’est réalisé par le logiciel TopSolid, qui a

pour but de bien dessiner le robot en lui donnant une vue générale de

comment sera-t-il apparait ?

Les fichiers se composent des noms des composants utilisés lors de la

conception, nom du projet, espace à dessiner…etc.



Cahier de charge

Au cours de ce mini projet, on a pu d’un 1er cas, établir tous les

notions nécessaires pour faire une conception générale du projet.

Le matériel utilisé est reste néanmoins chère pour que nous puissions

le supporter, mais il est plus efficace, plus performant et ne demande

pas trop de chose (composant) pour la réalisation.

List des

composants :

Composant Réf. Prix €

Arduino Uno Rev3 40

Arduino Shiled motor 32

Capteur US HC-SR04 10

Servo-motor S3003 13

Support robot 3 feet 40

Support batterie --- 1

Total 136 €

Total 1632 DH



Conclusion

Ce projet, bien que ludique, reste néanmoins très proche de notre

conception. Réalisé à l'aide de cartes électroniques analogiques et

numériques, il peut permettre la mise en situation de fonctions simples,

essentiellement basées sur l'utilisation de la carte Arduino.

Les différentes fonctions peuvent être décomposées en sous-

ensembles qui peuvent être étudiés et développés séparément.

C’est un projet simple à mettre en œuvre, motivant pour nous comme

étudiants et qui ne demande que peu de moyens.

L'infrastructure filaire peut, dans un premier temps, se résumer à une

seule boucle, pour être ensuite étendue à plusieurs.

Navigation d’un robot détecteur d’obstacle

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