Robot de compétition 4
Sommaire
Introduction
Dans le cadre du bureau d'étude spécialité IMA, nous avons la charge de concevoir un match sportif mettant en œuvre des robots de la gamme lego mindstorms. Pour cela nous nous sommes répartis les tâches entre la conception des robots joueurs, des robot ramasseurs, des buts et de l'arbitre. Notre binôme a choisi de réaliser l'un des 4 robots joueurs, c'est-à-dire un robot capable de repérer puis de saisir une balle avant de l'envoyer dans les buts adverses.
La conception du robot
La conception mécanique du robot passe tout d'abord par la confection d'un châssis stable et solide, puis par le placement des différents capteurs, et enfin par la mise en place d'un bras mécanique. Pour cela nous disposions d'une boite lego mindstorm avec toutes sortes de pièces, des roues, des servomoteurs et différents types de capteurs : couleur, infrarouge, ultrasons etc. Nous avons changé plusieurs fois, pour des questions de pratique, le concept du robot ; qu'il s'agisse de l'aspect général, du bras mécanique, ou du placement des capteurs .
Kit Lego Robot Mindstorms NXT
Pour construire notre robot, nous disposions d'un kit Lego Mindstorm. Ce kit comprend :
La brique intelligente Lego Mindstorms NXT basée sur un processeur 32 bits 3 servos moteurs 2 capteurs de contact 1 capteur de distance à ultrasons (sonar) 1 capteur de lumière et de couleur 1 capteur infrarouge 577 pièces Lego technic 1 câble USB 1 plan de travail sous forme de poster
La brique Lego Mindstorms NXT est le véritable cerveau de notre robot NXT Lego. Elle se connecte au PC via un câble USB ou le Bluetooth.
Il est même possible de configurer un téléphone portable ou un joystick afin de piloter votre robot.
L'aspect mécanique
La première chose à faire a été de confectionner le châssis. Nous avions besoin d'une base stable pour placer le boitier Mindstorm et pour faciliter le déplacement. Nous sommes tout d'abord partis sur l'idée d'un déplacement grâce aux chenilles, pour ensuite le changer et placer 4 roues. En effet les différents câbles avaient tendance à gêner le déplacement du robot car ils se coinçaient dans les chenilles.
Les différents capteurs utilisés
Le Capteur de couleur
Ce capteur a été placé sous le robot, au devant de celui-ci et dirigé vers le sol. Il permet de détecter la couleur du sol sur laquelle le robot passe et permet ainsi d'empêcher le robot de sortir du terrain puisqu'il est délimité par des bandes de couleur.
Le capteur de distance à ultrasons
Ce capteur est composé de deux éléments : un émetteur ultrason et un récepteur. On peut ainsi mesurer la différence de temps entre l'émission d'un signal ultrason et sa réception après qu'il ait atteint l'obstacle ; ce qui permet d'estimer la distance robot/obstacle. Ce capteur a été placé sur le devant du robot, légèrement surélevé afin qu'il n’interfère pas avec la balle. Il servira à éviter toutes collisions du robot avec des obstacles. Nous avons programmé le capteur de façon à ce qu'il s'arrête lorsqu'il rencontre un objet à moins de 20 centimètres de lui.
Le capteur infrarouge
Ce capteur permet de détecter la distance d'une source émettant dans l'infrarouge dans six directions différentes. Il est donc pratique pour localiser une source en fonction de l'angle avec le capteur et sa distance. Nous avons placé le capteur à plusieurs endroits différents. En effet nous avons rencontré certains problèmes : lorsque l'objet localisait un objet (la balle ici, les buts n'étant pas prêts à être testés)qui se trouvait à distance inférieure à 15 centimètres du capteur, les valeurs étaient erronées. Il devenait alors difficile au robot de déterminer avec exactitude la direction dans laquelle se rendre.
Le capteur de contact
Le capteur de contact est constitué d'un simple bouton poussoir, qui lorsqu’il est pressé, envoie un simple signal au robot. Il va permettre de vérifier que la balle est bien capturée. Nous l'avons utilisé dans une seule optique : lorsque le robot actionnait le bras mécanique pour attraper a balle, il devait savoir si oui ou non il l'avait bel et bien attrapé. Nous l'avons donc programmé pour que lorsque la balle appuie sur le capteur, le robot s'arrête et effectue une rotation.
Bras mécanique
Lors de la conception du robot, nous avions dans un premier temps construit le châssis, puis très vite le bras robotique. Ne pensant qu'il ne servirait qu'à tirer dans la balle, un simple appareil était suffisant, néanmoins nous nous sommes vite rendu compte qu'il y avait plus à faire!
Problématiques rencontrées
Le problème principal auquel nous avons été confronté fut la conception du bras mécanique. En effet au début il ne nous servait qu'à frapper la balle d'un coup sec mais il ne pouvait pas garder la balle. Nous avons donc changé radicalement notre façon de penser ; il était question de garder la balle lors d'un quelconque déplacement du robot. Il fallait que la balle puisse entrer facilement dans une sorte d'entonnoir où elle viendrait se glisser jusqu'au tir. S'en est donc suivi plusieurs conceptions différentes du bras mécanique.
Le dernier prototype ci-dessous semblait le plus performant, néanmoins lors des tests, la balle n'entrait pas correctement et le bras mécanique frappait donc dans le vent.
Le multiplexer
Certains problèmes sont apparus lorsque nous avons commencé le programme pour trouver et attraper la balle. Tout d'abord le robot devait repérer la balle grâce à l'infrarouge, ensuite il devait se diriger vers elle et enfin, à la distance adéquate, attraper la balle. Néanmoins le robot n'arrivait pas à savoir si oui ou nous il tenait la balle entre ses pinces. Nous avons alors penser à utiliser un capteur de plus. Mais nous n'avions plus de place sur le robot, le nombre de prises étant limité.
La solution proposée par l'enseignant fut l'utilisation d'un Multiplexer.
En effet le multiplexer a fait office de multiprise et nous a permis de brancher plus de capteurs que prévu.
Finalement nous disposions donc d'un capteur couleur, d'un capteur contact, d'un capteur infrarouge et de deux capteur de distance.
Le gros problème était que nous ne savions pas du tout programmer ce multiplexer. Venant s'ajouter à ça le fait que plusieurs versions étaient disponibles sur internet sans que nous sachions vraiment laquelle commander. De nous étions incapable de trouver un exemple type de programmation pour le multiplexer.
Nous avons donc pris beaucoup de retard par rapport aux autres groupes. Pendant que certains tentaient de faire la différentiation infrarouge entre la balle et les buts, nous étions toujours entrain de programmer notre multiplexer!
Pour le programmer, il ne fallait pas brancher deux capteurs de même nature sur le multiplexer (exemple : 2 capteurs de contact). La programmation était également très rigoureuse et nous avons dû télécharger des fichiers contenant des phrases de code type afin de faciliter notre travail.
Afin de pouvoir continuer à programmer les capteurs qui sont branchés sur le multiplexeur de capteurs, il convient de télécharger de nouveaux blocs NXT-G pour chacun des capteurs que l'on souhaite utiliser afin de pouvoir préciser l'adresse I2C de chacun d'eux. En effet, la brique intelligente a besoin de pouvoir les différencier étant donné qu'ils sont branchés sur le même port.
On peut observer ci-dessous trois images :
La première représente le premier prototype de multiplexer que notre enseignant nous avait confié. On ne pouvait brancher qu'un seul capteur supplémentaire et il s'est avéré que cela ne marchait que pour les moteurs.
La seconde photo représente notre actuel multiplexer (gentiment commandé par notre enseignant). Il est constitué de deux boitiers ; l'un étant la batterie, et l'autre la "partie multiprise". On peut actuellement brancher 6 capteurs supplémentaires avec ce modèle, mais nous n'en avions pas besoin de tant, et cela n'était pas bon pour le robot et son ergonomie.
Finalement, nous pouvons voir les deux capteurs supplémentaires installés. Il s'agit d'un capteur de distance et d'un capteur de contact. Le capteur de distance permet au robot de savoir quand la balle est très proche de lui pour avancer un peu et actionner ses pinces. Et le capteur de contact permet au robot de savoir exactement s'il détient ou non la balle : le principe étant que la balle fasse pression sur le capteur lorsqu'elle est attrapée.
Version aboutie
Pour cette dernière version du bras mécanique nous avons choisi d'utiliser des engrenages. En effet les précédents essais ne nous permettaient pas de garder la balle. Nous avons donc aligné 4 engrenages de tailles différentes, l'une faisant tourner tous les autres grâce à une barre placer en son centre et qui s'actionne avec l'un des servomoteur. Il a alors fallu trouver le bon écart entre les engrenages.
Il fallait également avoir des pinces assez longues pour ramener la balle vers le robot mais faire attention à ce qu'elles ne restent pas coincées. Avec la force du servomoteur, après plusieurs utilisation les engrenages se décalaient donc il fallait les bloquer de manière à ce qu'ils ne partent pas n'importe comment.
Cette solution est assez économique car elle permet d'une part d'attraper la balle en refermant les pinces mais également de l'éjecter en les ouvrant. En effet chaque pince est plus ou moins en forme de V avec l'axe de rotation situé au niveau de la pointe. Ce système permet donc de "faire une pierre deux coups".
Programmation
Tout d'abord nous avons essayé de comprendre comment fonctionnait le langage nxc. Les premières commandes étaient assez simples en fait ; nous avons fait avancer le robot, le faire s'arrêter, le faire tourner etc.
Le programme final se décompose donc en deux parties principales :
- un programme qui permet au robot de s'arrêter devant un obstacle, d'attraper la balle, de la tirer vers le but et qui empêche le robot de sortir des limites du terrain.
- un programme qui entre deux matchs permet au robot de se garer sur un emplacement en dehors du terrain.
Les sources du programme écrites en C sont disponibles sur le wiki mais pour pour faciliter la compréhension elles seront détaillées en pseudo-code.
Structure principale du programme
Voici le main du programme principal :
//Initialisation des variables pour les différents capteurs couleur = variable de couleur du capteur couleur distance1 = variable du premier capteur ultrasonique pour détecter les obstacles distance2 = variable du deuxième capteur de couleur pour détecter la balle direction = direction où se trouve la balle avec le capteur infrarouge
//Boucle principale
TANT QUE (vrai) FAIRE //boucle infinie
{
couleur = lire_capteurCouleur
distance1 = lire_capteurUS1
distance2 = lire_capteurUS2
direction = lire_capteurIR
SI (distance1 < 30) //S'il y a un obstacle devant le robot
ALORS
Eteindre moteur1
Eteindre moteur2
SINON
SI (direction != 5) //5 correspond à la balle e face du robot
ALORS
cherche() //fonction de recherche de la balle
SINON
SI (distance2 < 15) //cas ou la balle se trouve devant les pinces du robot
avancer pendant 100ms
chope() //fonction pour saisir la balle
SINON
SI (couleur != rouge OU couleur != vert) //cas ou le robot ne sort pas tu terrain
Allumer moteur1(Speed)
Allumer moteur2(Speed)
SINON
demitour()
Attendre 500ms
}
FIN TANT QUE
Détaillons un peu ce programme :
Le programme commence par lire les valeurs des différents capteurs. Ensuite il vérifie s'il n'y pas d'obstacles a moins de quelques centimètres du robot (la valeur 30 est arbitraire, c'est plus ou moins 10 centimètres). Si c'est le cas le robot s'arrête. Sinon il teste la position de la balle par rapport au capteur infrarouge. S'il n'est pas en face de celle-ci le programme exécute la fonction cherche() qui permet d'orienter le robot face à la balle. Une fois face à la balle le robot avance à la vitesse Speed (constante de préprocesseur définie au début du programme). Si le robot dévie légèrement, sa position est à nouveau corrigé avec la fonction cherche(). Ensuite si la distance lue avec le deuxième capteur ultrason est à inférieure à 15, cela signifie que la balle se situe devant le robot. Celui-ci va donc avancer pendant 100 ms pour mettre la balle dans ses pinces et le programme exécute la fonction chope() pour l'attraper. A chaque cycle de la boucle, le programme vérifie également, à l'aide du capteur de couleur, que le robot ne sort pas des limites du terrain en détectant du rouge ou du vert (cf Le terrain de jeu).
Voici maintenant la fonction cherche :
Celle-ci permet au robot de s'orienter face à la balle et de corriger la trajectoire du déplacement le plus rapidement possible.
//Initialisation des variables
distance1 = valeur de la distance du premier capteur US
distance2 = valeur de la distance du deuxième capteur US
k = coefficient appliqué à la vitesse des moteurs pour optimiser le mouvement
direction = angle entre la balle et le capteur IR
//Boucle principale
TANT QUE (direction != 5) FAIRE //on sort de la boucle dès que le robot est face à la balle
{
distance1 = lire_capteurUS1 //actualisation des distances
distance2 = lire_capteurUS2
SI (distance1 > 20) //On vérifie toujours qu'il n'y a pas d'obstacles
ALORS
direction = lire_capteurCouleur
k = absolue(5 - dir) + 1 //coefficient pour faire varier la vitesse en fonction de l'angle
SI (direction < 5)
ALORS
Allumer moteur1(25 * k)
Allumer moteur2(-25 * k)
SINON SI (direction > 5
ALORS
Allumer moteur1(-25 * k)
Allumer moteur2(25 * k)
SINON
éteindre moteur 1 et 2
Attendre 200 ms
SI (distance2 < 15) //cas ou la balle serait dans les pinces
ALORS
chope()
}
FIN TANT QUE
On commence de nouveau par lire les valeurs des différents capteurs, puis on vérifie à nouveau qu'il n'y a pas d'obstacles devant le robot. Maintenant le programme récupère l'angle entre la balle et le capteur IR : on a direction < 5 si l'a balle se trouve à gauche du robot, direction > 5 si elle se trouve à droite et direction = 5 si elle se trouve en face. La variable direction prend des valeurs entre et
Initialisation des périphériques
Déplacements
Éviter les sorties de terrain
Se garer
Infrarouge
Interaction avec la balle
Différentiation entre la balle et les buts
Communication avec l'arbitre
Le terrain de jeu
La réalisation du terrain de jeu s'est faite avec la participation de tous les binômes. Il a d'abord fallu mesurer les buts et les robots afin de savoir quel espace laisser entre les différentes limites de la plaque. En effet il était nécessaire de laisser assez de place aux robots joueurs et ramasseurs pour se garer. On a ensuite tracer au crayon gris les différentes limites sur les plaques. Puis nous avons collé les bandes de scotch colorés aux emplacements adéquates.
Les bandes vertes correspondent à la surface de réparation devant les buts. Les robots de compétitions ne peuvent pas y accéder. Les bandes rouges permettent de délimiter le terrain ainsi que de permettre aux robots ramasseur et de compétition de se replacer ou de se garer. Les bandes bleues, avec à leur intersection un point jaune, permettent aux robots ramasseur de replacer la balle au centre.
Mise en place de la phase de jeu
Ce bureau d'étude nous permet surtout de travailler en équipe. Une fois la conception mécanique et la programmation du robot assez avancées, il nous fallait penser à la partie de football entre les robots! En effet dans la phase de jeu chacun a un rôle à tenir ; pour chaque terrain il y a :
- deux cage de buts
- deux robots de compétition
- un arbitre
- un robot ramasseur de balle
Nous devions être conscients de plusieurs choses :
- Détecter la balle et les cages de buts (les deux émettant dans l'infrarouge)
- Différencier ces deux derniers.
- Détecter les limites du terrain (ruban adhésifs colorés)
- Ne pas foncer dans les autres robots
- S'orienter vers la bonne cage de but
- Envoyer la balle vers le but
- Se replacer
Détecter les limites du terrain semblait chose facile, mes les professeurs nous ont donné pour contraintes de devoir "garer" les robots lorsqu'ils ne jouent pas. Il a donc fallu créer un programme pour que les robots ne sortent pas du terrain. Un autre pour qu'ils effectuent un demi-tour lorsqu'ils rencontrent certaines bandes de couleurs. Et enfin un autre pour suivre une ligne et pour qu'ils se garent correctement.
Le plus grand challenge pour notre robot est de différencier la balle des buts! Tel qu'il est maintenant, notre programme ne nous permet pas cela ; le robot se dirigera automatiquement vers l'objet (émettant un signal infrarouge) le plus proche de lui...Ce qui est plutôt contraignant pour la phase de jeu. Nous devons donc collaborer avec les autres binômes pour trouver une solution !
Il a était question de deux options :
- Premièrement : faire émettre aux cages de but et à la balle des signaux différents. Ainsi le robot devra chercher la balle selon la fréquence qu'elle émet et se concentrera seulement après sur les buts.
- Deuxièmement : utiliser l'arbitre! En effet l'arbitre pourrait "demander" aux buts de s'éteindre tant que l'un des deux robots n'a pas attraper la balle. Il faudrait donc programmer le robot afin que lorsqu'il a la balle, il s'arrête et envoi un signal à l'arbitre pour lui confirmer que les buts peuvent fonctionner.
Conclusion
A faire
