Binome2015-5

Introduction :

Le projet de cette saison consiste à réaliser un jeu de balle entre des robots que nous allons construire nous même. Notre binôme a choisi de travailler sur le robot joueur ainsi que les cages de buts. La clé pour l'aboutissement du projet consiste a un travail d'équipe afin de pouvoir mettre en commun les avancées de chacun, c'est dans ce but que nous tenons cette page régulièrement actualisée au fil des séances de cours et de recherche personnelle.

Objectifs principaux

La réalisation du robot joueur et des cages de buts impose certaines contraintes et objectifs a respecter afin de parvenir à une réalisation aboutie a la fin de la saison . Le respect de l'ordre de réalisation de ces contraintes nous permettra de présenter un robot joueur et des cages de buts fonctionnelles :

• Construction du châssis
  • Assemblage et disposition des différents éléments
• Partie programmation :
  • Codes liés aux moteurs
  • Code lié a la détection d'obstacles par UltraSon
  • Code lié a la détection de la balle par Infrarouge
  • Code lié a la détection des lignes
  • Mise en place de la communication radio entre les robots et les cages de buts par module Xbee
• Conception mécanique :
  • Réalisation du système de pince
  • Réalisation du système de tir
• Réalisation du PCB

L'ordre a suivre pour les différents étapes a été réfléchi et nous en sommes venu a la conclusion qu'il est primordial de réaliser les tâches dans l'ordre défini précédemment dans un soucis d'apprentissage et d'adaptation progressif du langage Arduino . Nous nous sommes également répartis les tâches afin d'avancer plus rapidement : la mise en commun de nos travaux aboutira à un robot joueur et des cages de buts fonctionnelles .

Descriptif des séances :

Dans un soucis de préserver une trace écrite du contenu de nos séances , nous tenons à jour cette section et décrivons brièvement le contenu de chaque jour . Le travail personnel n'est pas décrit dans cette section .

Séance 1 : 18/01/16

La première séance à , en grande partie , consisté à l'établissement du cahier des charges . Nous en sommes venus a conclure sur une liste de matériel nécessaire , les contraintes auxquels sera soumis le robot , ainsi que les différentes options possibles pour les contourner . Nous avons pensé que les contraintes mécaniques devront être les premières à être débattus , ce qui nous à amené à conclure quant au système de pince à utiliser , ainsi que le système de tir . Les pièces nécessaires à ce sujet seront imprimés en 3D pour les pièces nécessitant peu de précision , ou coupé au laser pour le reste . Nous avons également convenu que le châssis a 2 roues convenait mieux a notre projet , en raison de sa plus grande mobilité .

Séance 2 : 21/01/16

La seconde séance nous a permis de construire le châssis 2 roues (photos à venir ) et de commencer à programmer sur l'Arduino Mega . Ainsi , nous avons pu écrire l'algorithme permettant la mesure de la distance par ultrason , ainsi que le contrôle global du servomoteur à utiliser grâce a la librairie associée .

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  fixation des moteurs

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  fixation de l'alimentation

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  fixation de la roue libre

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  fin de la construction

Séance 3 : 25/01/16

• Découverte du logiciel freecad
• Dessin des engrenages pour la pince du robot

Séance 4 : 28/01/16

• impression 3D des engrenages grace au logiciel Cura
• Dessin des barres dentées pour la pince grâce au logiciel freecad

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  capture d'ecran logiciel cura engrenage

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  dessin barre dentée

Séance 5 : 29/01/16

• Création d'une maquette en carton pour tester le systeme de récepteurs infrarouge
• Codage du programme controlant les recepteurs infrarouge

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  maquette pour système IR

Séance 6 : 01/02/16

• essai d'impression d'une première pince 3D. Cette impression fut peu concluante mais nous a permis de comprendre le fonctionnement de l'imprimante 3D, mieux maitriser le logiciel freecad pour dessiner les pièces et de voir quels etaient les problemes de notre système.
• Installation des recepteurs infrarouge sur le robot.

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  imprimante 3D

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  logiciel UP pour impression 3D

Séance 7 : 04/02/16

• Travail sur le problème des recepteurs infrarouges qui ne fonctionnent pas. Nous obtenons par moment des valeurs mais n'arrivons pas à faire marcher le systeme correctement.
• Réalisation sur freecad d'une nouvelle pince qui doit être plus efficace. Nous attendons donc de pouvoir l'imprimer pour la tester.

Séance 8 : 08/02/16

• Résolution du problème des recepteurs infrarouges ne fonctionnant pas normalement.

Nous avons du démonter tout le circuit pour rebrancher les recepteurs un par un et finalement, obtenir un résultat satisfaisant. Nous réglerons le programme pour localiser la balle durant une autre séance.

• Nous avons commencé à utiliser les capteurs noir et blanc mais pour l'instant, ceci ne fonctionne pas bien sauf en collant les capteurs à la surface voulut.

Séance 10 : 22/02/16

• Impression des derniers composants de la pince. Il ne manque plus que les taquets sur lesquels les roues dentées vont tourner. Nous les réaliserons en bois.

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Séance 11 : 25/02/16

Début de la réalisation des 3 circuits imprimés a réaliser . Le premier concerne le contrôleur moteur , le module XBee ainsi que le capteur Ultrason . Un second PCB sera disposé de façon a concentrer les connections reliés aux capteurs infrarouges . Et enfin , un troisième sera placés sur le châssis inférieur du robot et servira a connecter les deux servomoteurs utilisés pour le système de tir et la pince , et les capteurs de lignes .

Nous avons également pu mettre en avant une contrainte supplémentaire concernant les capteurs infrarouges : ils renvoient une valeur même lorsque la balle n'est pas présente . Cette contrainte sera surmontée dans la prochaine séance .

Séance 12 : 03/03/16

La pince est fonctionnelle . Elle a été réalisée grâce a un système d'engrenages , un premier engrenage étant connecté a un servomoteur qui actionne le mouvement suivi par les 3 autres engrenages . Deux barrettes dentées sont reliés aux roues dentés des extrémités

Séance 13 : 07/03/16

Nous avons fini par contourner la contrainte des valeurs incohérentes des capteurs InfraRouge en réalisant un nombre conséquent d'acquisitions (500 acquisitions consécutives) , qui sont stockés dans un tableau . Afin de confirmer la présence de la balle et non d'une autre source infrarouge temporaire , on vérifie que lorsqu'une valeur est enregistrée, elle est suivi par une autre valeur plus ou moins élevée . Si c'est le cas , la balle est présente sinon , il s'agit de parasites . La prochaine séance sera entièrement consacrée a la détection de la balle et au PCB.

Séance 14 : 10/03/16

Cette séance à été entièrement consacrée a la détection de la balle . Nous avons pu mettre au point le système de détection de balle énoncé lors du résumé de la séance précédente : nous avons ainsi rencontrés quelques problèmes , liés dans certains cas à une sortie de la capacité de mémoire de l'arduino , soit a des valeurs erratiques dues a la lumière du jour . Le capteur situé à l'avant retournait ainsi continuellement une valeur (petite , mais assez pour faire croire au programme que la balle est présente ) .

Séance 15 : 14/03/16

Nous avons continués a mettre au point le programme consistant a détecter la balle . Quelques problèmes liés à la sortie de mémoire ont été réglés en réalisant moins de tours de boucles ( ce qui inclus une petite perte de précision ) . Concernant les PCB , nous avons finalement réalisés 3 PCB concernant respectivement les capteurs de lignes , à plaquer sur le châssis inférieur , les servomoteurs , à mettre prés de la pince , et finalement , le PCB principal à utiliser sur l'Arduino et contenant les composants principaux .

Séance 16 : 17/03/16

Le programme pour la détection de la balle est au point , il ne détecte que la balle pulsée a 600 Hz , et aucune source non pulsée . Il ne manque plus qu'à l'intégrer au programme principal . Le problème rencontré précédemment était simplement dû au fait que la balle n'était pas pulsée ( les autres binômes travaillant sans modulation de signal) . La gravure du PCB à quant a elle été interrompue en raison d'un problème de format , nous ne l'avons appris qu'à la fin de la séance , nous allons donc nous pencher dessus pour le faire valider à la prochaine séance .

Séance 17 : 21/03/16

Le problème du PCB était que les fichiers n'étaient pas au bon format . Nos enseignants nous ont expliqués comment soumettre le PCB sous un bon format , ce qui a été fait . Nous avons pu recevoir le PCB principal deux heures plus tard , les deux autres rencontrant toujours un problème dont la source reste à déterminer car le rendu sur le visualiseur Gerber ne montrer pas de problèmes pour nous (Le mail de refus précise un problème de drills ) . Nous avons terminés le programme visant a orienter le robot selon la puissance de la puissance du signal envoyé par la balle . Nous nous sommes alors penchés sur les capteurs de lignes , que nous avons entièrement finis lors de cette séance : le robot ne sort pas des zones délimités . A la rencontre d'une ligne noire , il recule puis change d'angle . Cependant un problème majeur a été rencontré : le rafraîchissement des valeurs n'est parfois pas assez rapide et si elle ne se fait pas alors que le robot traverse une ligne , elle n'est pas détectée . Une solution consiste a prendre un des capteurs et le placer a l'arrière du robot . Nous allons en discuter lors de la prochaine séance . Un autre problème à été mis en avant : du fait du nombre élevé de composants , si les piles ne sont pas entièrement chargés , l'Arduino ne tourne pas , et s'ils ont passés plus d'une heure à alimenter les tests , elles ne fonctionnement plus que par intermittence .

Séance 18 : 18/04/16

La séance à permis de régler quelques incertitudes avec les capteurs infrarouges . Les autres capteurs sont entièrement finalisé . Il ne manque que le PCB et le Xbee sur le robot .

Le code régissant le fonctionnement des cages des buts a été mis en place . Il ne manque plus qu'à découper les cages .

Partie Mécanique :

La pince

Pour fabriquer cette pince, nous avons utilisés les logiciels Freecad et Cura.

Les objectifs de la pince

• pouvoir s'écarter un maximum afin de faciliter la prise de la balle (pas trop non plus pour ne pas géner le déplacement du robot)
• se refermer suffisamment pour saisir la balle (6.5cm)
• Permettre au système de tir de lancer la balle lorsque la pince est fermée afin de guider la balle.

Les éléments de la pince

• 2 serres
  
• 4 roues dentées
  
• 4 taquets servant d'axe de rotation aux roues
  
• la structure principale de la pince.
  

Petite roue dentée

Grande roue dentée

Structure haute

Structure basse

Taquets

Serre

Les problèmes rencontrés

• les 2 serres, les 4 roues dentées ainsi que la structure principale ont pu être dessinées sur Freecad puis imprimées grâce à l'imprimante 3D du Fabricarium. Mais les 4 taquets n'ont pas pu être imprimés par imprimante 3D car ceux ci étaient trop fins et de forme cylindrique ce que l'imprimante a plus de mal à produire.

Les 4 taquets ont donc été réalisés en découpant un long clou de diamètre voulu (3.5mm) et un tuyau de diamètre légèrement supérieur.

découpe du clou

assemblage roue et axe de rotation

rendu final

• L'espace calculé sur les serres était légérement insuffisant, il a donc fallut poncer afin de faire rentrer la structure basse dans la serre. Cette dernière coulissant le long de la partie entrant dans la serre.

• Nous avons dû modifier plusieurs fois la taille des roues dentées afin d'obtenir l'écartement de pince maximum. Car plus les serres peuvent s'écarter, plus cela sera facile de saisir la balle.

• Placer le moteur et le bloquer

Le système de tir

Le système de tir est composé d'un propulseur, d'un support et d'une roue dentée dont certaines dents sont manquantes. La roue dentée est collée à un moteur. Le propulseur, lui est constitué d'une crémaillère ainsi que d'un ressort se trouvant à l'intérieur du vide.

propulseur

Le tir se déroule donc en deux actions, on arme tout d'abord le tir en faisant tourner le moteur jusqu'à la dernière dent de la roue. Puis, on introduit la balle entre les pinces. Enfin, on fait un tour de roue afin de propulser la balle grace au ressort se situant dans le propulseur. Le tour de roue permettant aussi de recharger le propulseur pour le prochain tir.

La pince finale

le rendu final :

rendu final 1

rendu final 2

Réalisation du PCB

PCB Capteurs de lignes

La réalisation du PCB est une étape majeure de notre projet : elle permet d'éviter les nombreux faux contacts rencontrés sur la plaque d'essai , de rendre plus compacte la disposition des composants , mais surtout , sa réalisation nous a permis d'en apprendre plus sur les circuits imprimé et de nous familiariser avec la méthode à suivre . La première version du PCB n'était pas du tout fonctionnelle car nous ne savions pas que les fils ne peuvent pas se croiser , information qui nous a rapidement été donné et nous nous sommes empressés de réaliser un PCB fonctionnel . En une semaine , nous avions conclus notre premier PCB principal où étaient inclus tout les composants de notre robot . Nos enseignants nous ont proposés de faire plusieurs cartes afin d'alléger le nombre de fils sur le robot ( chose que nous tentons d'éviter , d'où le choix d'un PCB au lieu de la plaque d'essai ) . Le premier envoi de la carte a l'impression s'est soldé par une erreur due au format , en effet , nous n'avions remplacé que le format du drill par .drd et laissé les autres dans leurs format exporté de Fritzing . Cette erreur a retardée l'impression d'une semaine de plus .

PCB Capteurs de lignes

Nous avons fait vérifié nos fichiers par un visualiseur Gerber avant de procéder à la validation de la demande d'impression . Le viewer Gerber permet de s'assurer que notre PCB sera bien interprété par la machine en nous imprimant a l'écran les différent fichiers exportés un a un : ainsi , nous pouvons voir les positionnement des drills , des pastilles , le plan de masse et les connexions .

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Les circuits imprimés ont ainsi été reçus très rapidement .

Programmation :

La partie programmation est le gros lot du projet . Utilisant une plateforme Arduino Mega , nous avons dû nous familiariser avec le langage arduino , qui consiste en une simplification du langage C . Nous avons donc suivi quelques cours dispensés par plusieurs plateformes d'éducation en ligne afin de connaître les principales subtilités du langage .

Contrôle du moteur

Le premier programme que nous avons réalisé fût celui du contrôle moteur . Chaque moteur étant connecté a une sortie PWM et digitale , nous avons dû renvoyer un signal analogique pour le contrôle de la vitesse ( valeur allant de 0 à 255 ) , l'entrée digitale étant utilisée pour faire tourner la roue dans le sens horaire ou trigonométrique . Le programme réalisé est très simple et répond a toute nos attentes :

 void avancer(int moteur,boolean direct,int vitesse)
 {
 
   //avance par defaut
   boolean montre = HIGH;
   boolean trigo = LOW;
   if(!direct){ //si boolean nul , recule
     montre = LOW;
     trigo = HIGH;
   }
 
   if(moteur == 1) //moteur 1 selon les branchement
   {
     digitalWrite(AIN1,montre); //AIN1 cntrol le sens du courant 
     digitalWrite(AIN2,trigo); //AIN2 aussi autre sens
     analogWrite(PWMA,vitesse); //control vitesse analogique pr garder une vitesse stable (asservis)
   }
   else
   {
     digitalWrite(BIN1,montre);
     digitalWrite(BIN2,trigo);
     analogWrite(PWMB,vitesse);
   }
     
 }
 //Tourner
 //tourner(0,75); //tourbne a fguahce
 //tourner(1,75); //tourne a droite
 void tourner(boolean sens,int vitesse)
 {
   if(sens)
   avancer(1,1,vitesse);
   avancer(2,1,vitesse);
   if(!sens)
   avancer(1,0,vitesse);
   avancer(2,0,vitesse);
   
 }
 void arret()
 {
   digitalWrite(STBY,LOW); //standby off
 }
 //démarrer
 void demarrer()
 {
   digitalWrite(STBY,HIGH); //standby on
 }

Nous avons donc divisé le tout en trois fonctions principales permettant de mettre en marche ou d'arrêter le moteur et d'avancer et une fonction secondaire utilisant les précédentes , permettant de tourner .

Détection d'obstacles par UltraSon

Nous nous sommes ensuite penchés sur la partie détection ultrason , qui s'est également traduite par un code simple mesurant la distance entre un objet et le capteur ultrason par émission d'impulsions :

 float distanceUltraSon(int trig,int echo)
 {
   digitalWrite(trig,HIGH);
   delayMicroseconds(10);
   digitalWrite(trig,LOW);
   unsigned long pulsation = pulseIn(echo,HIGH);/*duree de l'etat 
   car echo change si il recoit un signal */
   if(pulsation>3000)//signal perdu
     {
     return 0.0;
     }
   else{
     pulsation = pulsation/2; //division de laller retour
     
     float tmps = pulsation/1000000.0; //conversion en sec
     float dist = (tmps*340)*100.0; //formule de base en cm
     
     return dist;}   
 }

Recherche de la balle

Vient ensuite la partie de la détection de la balle InfraRouge par les phototransistor . Cette partie est celle qui nous a posée le plus de problèmes car nous les phototransistor renvoyaient continuellement des données brouillés par la lumière ambiante : il était donc impossible de différencier ces valeurs de celle de la balle ,sauf si celle-ci était vraiment très proche des capteurs . Dans un premier temps , nous avons reliés ces capteurs a une résistance de 330 Ohm et avons simplement utilisé un analogRead afin de recevoir la valeur renvoyée . Cette méthode fut rapidement abandonnée à cause du problème énoncé précédemment . Nous nous sommes alors penchés sur un programme plus complexe qui nous permettrait de capter simplement les signaux infrarouges pulsés . Le principe est le suivant : pendant un petit laps de temps , nous réalisons un grand nombre d'acquisitions et enregistrons les valeurs dans un tableau . Sachant que la balle est pulsée (supposons une pulsation a 600 Hz) , elle renvoie une valeurs chaque deux millisecondes environ dans le meilleur des cas , ce qui se traduit par une successions de valeurs positives et négatives . Le lumière renvoyée par le soleil par exemple , n'est quant a elle , pas pulsée , il s'agit donc de valeurs continues et très variables . Ainsi , notre programme vérifie si deux valeurs qui se suivent sont très proches . Si oui , il s'agit de la balle , sinon , il s'agit d'une autre source de lumière .

Ce code fonctionne parfaitement lorsque le robot n'est pas en mouvement . Lorsqu'il l'est , les valeurs sont erronés et le robot tourne sur lui même , ou suit des mauvaises directions .

Ce système fonctionne très bien. La lumière du jour ou d'une lampe n'est pas détectée, cependant avec une télécommande de télévision on arrive à attirer le robot. voir vidéo :

Détections des bords du terrain

La partie concernant les capteurs de lignes à été réalisée rapidement . Le capteur de lignes renvoi des valeurs différentes selon qu'il soit positionné au dessus d'une ligne noire ou du terrain blanc . Il suffit ainsi de connaître ces deux valeurs et de faire tourner le robot lorsqu'il renvoi une valeur associée a une ligne noire . Cependant, nous avons rencontré un obstacle majeur : si le robot avance trop rapidement sur une ligne , les valeurs des capteurs de lignes ne sont pas rafraîchies assez rapidement et la ligne n'est donc pas détectée .

Problèmes rencontrés et résolution

Nous avons dû faire face a de nombreux problèmes durant notre bureau d'étude , que nous avons résolu plus ou moins facilement en fonction de la nature du problème . Cette section les énumères en décrivant la nature du problème , l'élément concerné et la méthode de résolution .

• Capteur Ultrason :

Le capteur Ultrason en lui même ne présentait pas de problèmes particuliers , ni son code qui renvoyait une valeur adéquate. C'est les faux contacts dû a la plaque d'essai qui erronnait le plus souvent les valeurs , soit en ne renvoyant quasiment rien du tout, soit en renvoyant constamment une même valeur . Ce problème est réglé par la mise en place du PCB , supprimant les faux contacts .

• Capteurs Infrarouge :

La détection de balle par les capteurs infrarouge est la partie qui nous a pris le plus de temps a résoudre en raison de nombreux problèmes que nous n'avions pu résoudre rapidement . En effet , les capteurs infrarouge , comme leur nom l'indique , captent le rayonnement infrarouge . Cependant , ce rayonnement est présent dans toute les sources lumineuses tels que le soleil , la lumière émise par une ampoule , et également , en moindre intensité , par le corps humain . Ainsi , a moins que la balle ne se trouve a une distance inférieure a 5 centimètre des capteur , les valeurs renvoyé par les différents capteur disposés de part et d'autre du robot sont toutes un peu prés les même . Nous nous sommes donc penchés sur un programme ne prenant en compte que les signaux infrarouge modulés afin de ne pas capter les signaux parasites . Ce programme nous a pris jusqu’à 5 séances a mettre en place car nous captions toujours quelques valeurs parasites . Nous avons alors tentés de changer les résistances afin d'obtenir des valeurs adéquates et nous avons conclus que la résistance de 330 Ohm est l'idéale car elle permet de ne pas recevoir de signal trop faible mais le signal renvoyé par la balle est quand même pris en compte par le programme .

Vient maintenant la disposition des capteurs : nous avons disposé 5 capteurs . Deux aux extremités arrière du robot , et 3 disposés devant , dont deux sont positionnés aux extrémités et un est centré . Ce système permet une bonne précision et une détection de la balle a n'importe quel endroit . En effet , si nous n'avions pas disposés de capteurs a l'arrière , le robot aurait effectué une rotation complète avant de trouver la balle par ses capteurs avant . Nous avons également disposés des petits cache entre les capteurs afin d'augmenter la précision et éviter que plusieurs capteurs ne reçoivent un signal simultanément .

• Capteurs de ligne :

Le majeur problème qui s'est révélé avec les capteurs de ligne concerne le temps de rafraîchissement des valeurs . En effet , le programme tournant seul détecte parfaitement les lignes , mais l'ajout du programme de recherche de la balle limite les détections en raison du temps qu'il prend a stocker les valeurs dans un tableau de plus de 100 cases . Cependant , ce problème peut être partiellement résolu en limitant la vitesse du robot . Ainsi , il passera sur une ligne plus lentement et aura ainsi le temps de détecter le changement de valeur tout en cherchant la balle par ses capteurs infrarouge .

• Réalisation du PCB :

Les problèmes liés au PCB sont dûs au fait que nous n'avions jamais réalisé un PCB avant . Il a suffit qu'on nous explique ce que nous pouvions et ne pouvions pas faire afin de réaliser un PCB fonctionnel .

• Réalisation de la pince :

Les taquets qui ont tout d'abord été imprimé avec l'imprimante 3D, ne convenaient pas car ils étaient déformés. L'imprimante 3D ayant du mal à réaliser ces formes arrondis. Cela nous a donc permis d'en apprendre plus sur le fonctionnement de cette imprimante. Ceux ci ont donc finalement été réalisé grâce à des gros clous et un bout de tuyau. Nous avons aussi du modifier la taille des roues dentées qui au départ été trop petite. En effet, nous avons voulut maximiser la largeur d'écartement des pinces pour faciliter la prise de la balle.

• Réalisation du système de tir :

Nous avons eu un problème de puissance de tir. En effet, nous avions tout d'abord prévu d'utiliser la crémaillère seule. Mais le moteur n'était finalement pas assez rapide et la balle n'avançait que très peu lors du tir. Nous avons donc décidé d'utiliser un ressort et une roue dentée dont nous avons retiré certaines dents. Cela permet donc d'armer le système de tir et de tirer avec une bonne puissance.