BE 2011-2012

But à atteindre

Ce bureau d'étude a comme finalité la construction de robots patrouilleurs. Ces robots doivent parcourir de façon semi-autonome un espace en accumulant des données. Ces données peuvent être, par exemple, des images de leur environnement ou le résultat d'écoutes WiFi. Un robot semi-autonome est un robot capable de se déplacer dans son espace sans intervention humaine en suivant un balisage quelconque (marquage au sol, tags RFID, sons particuliers, etc). Un humain doit cependant pouvoir prendre le contrôle partiel ou total d'un robot. Le contrôle partiel consiste à faire varier la vitesse du robot, le sens du parcours du robot, etc. Le contrôle total consiste à gérer complétement le déplacement du robot, même si ce dernier évite encore les collisions (que le contrôleur pourrait ne pas avoir pu prévoir). Les robots doivent aussi pouvoir communiquer entre eux pour s'échanger des informations de positionnement, pour pouvoir s'éviter ou pour pouvoir se regrouper (par exemple pour pouvoir explorer en détail un lieu particulier). A ce propos il est fondamental que les robots sachent se positionner pour pouvoir annoter les informations envoyées ou stockées (images ou données).

Matériel à votre disposition

Les couches basses du robot seront réalisées à l'aide de Lego MindStorm. Le Lego va permettre de réaliser le chassis avec sa motorisation et d'y installer divers capteurs. Il est même possible d'assurer une certaine communication entre robots grâce à la technologie bluetooth intégrée au micro-contrôleur MindStorm. Pour aller plus loin, il est nécessaire d'embarquer un micro-PC de type FoxBoard sur le robot. C'est ce micro-PC qui fera faire les acquisitions d'images ou les analyses WiFi et c'est à lui que le micro-contrôleur du MindStorm pourra envoyer ses données de localisation.

Répartition des tâches

Chaque binôme va se voir affecter une des problématiques décrites dans les sous-sections suivantes. Par la suite les résultats devront être incorporés dans chaque robot pour obtenir un robot tel que décrit plus haut. Notez que tous les robots doivent savoir s'arrêter quand un obstacle se présente devant eux (utilisation du sonar MindStorm).

Robot suiveur de ligne

Vous devez créer un robot capable de suivre une courbe discontinue au sol. Le robot doit être capable de réaliser les actions ci-dessous.

• en cas de perte du marquage, tourner dans un sens puis dans l'autre pour tenter de le retrouver avec des angles de plus en plus grands ;
• si le marquage ne peut pas être retrouvé, se remettre dans la position de la perte initiale et partir tout droit ;
• se remettre dans l'axe du marquage lorsque ce marquage est retrouvé ;
• s'arrêter quand un obstacle se présente devant lui et repartir si l'obstacle disparait ;
• changer de parcours sur commande, c'est à dire emprunter un parcours d'une couleur différente dès qu'il est rencontré ;
• inverser son sens de parcours.

Voici des exemples de parcours discontinus pouvant être suivis dans les deux sens.

• 

  Parcours carré

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  Parcours avec arcs

Elèves	Matériel	Page
Prenom Nom, Prenom Nom	boite lego MindStorm, scotch de couleur	Robot suiveur de ligne 1

Robots synchronisés

Cette étude sera menée par deux binômes. Vos deux robots doivent être capables de se synchroniser. Il vous est demandé de réaliser le comportement suivant :

• séparés, les robots avancent tout droit et s'arrêtent dès qu'ils détectent un obstacle avec leur sonar ;
• les deux robots doivent pouvoir être couplés côte à côte ;
• dans le mode couplé, les robots avancent quand aucun obstacle n'est détecté par leurs sonars ;
• dans le mode couplé, si un robot détecte un obstacle et l'autre non le couple tourne dans la direction où aucun obstacle n'est détecté.

La communication entre les deux robots se fait par bluetooth.

Elèves	Matériel	Page
Prenom Nom, Prenom Nom	boite lego MindStorm	Robot communicant 1
Prenom Nom, Prenom Nom	boite lego MindStorm	Robot communicant 2

Robot suiveur RFID

Vous doterez votre robot d'un lecteur RFID et d'une boussole. Votre robot doit être capable de réaliser les opérations ci-après :

• trouver sous une marque de couleur précise (feuille A4, disque, ...) une carte RFID ;
• partir dans une direction donnée ; le robot s'oriente avec la boussole puis se lance avec ses deux moteurs sans tenter de corriger la trajectoire ;
• mémoriser des caps en fonction des identifiants des cartes RFID.

Par la suite vous intégrez ces trois fonctionnalités pour obtenir un robot capable de suivre une trajectoire matérialisée par des marques sous lesquelles une carte RFID est dissimulée. Quand le robot détecte une marque via son capteur de couleur, il se met à chercher l'emplacement exact de la carte RFID. Une fois la carte localisée, le robot trouve le prochain cap à suivre en fonction de l'identifiant de la carte RFID. Le robot s'oriente sur ce cap avec sa boussole puis se lance vers la marque suivante. Et ainsi de suite.

Voici un exemple de parcours en suivant des marques RFID.

• 

  Parcours RFID

Matériel: boite lego MindStorm, module RFID, cartes RFID, module boussole, marques de couleur.

Robot naviguant aux instruments

Vous doterez votre robot d'une boussole pour lui permettre de connaitre précisement sa direction. Vous devez réaliser les actions décrites dans la suite.

• Vous commencerez par faire en sorte que votre robot sache avancer en ligne droite, pour cela vous utiliserez le contrôle PID décrit sur la page WikiPedia. Pour simplifier ce qui est dit sur cette page, sachez le principe appliqué à votre robot va être d'effectuer des corrections sur la trajectoire en utilisant des rotations. L'angle de ces rotations va être calculé en fonction de l'erreur de trajectoire indiqué par la boussole. Plus exactement par la somme d'une constante multipliée par l'erreur instantanée, d'une autre constante multipliée par l'intégrale de l'erreur et enfin d'une dernière constante multipliée par la dérivée de l'erreur. A vous de trouver les valeurs adaptées des trois constantes.

• Par la suite faites en sorte que votre robot sache contourner les obstacles au plus juste. Au plus juste signifiant qu'il tournera vers la droite ou vers la gauche en jugeant d'où se trouve le chemin le plus libre. L'algorithme a appliquer consiste à tourner le robot d'un angle faible dans un sens puis dans l'autre et de lire les resultats du sonar. Si les deux mesures indiquent un obstacle trop proche, l'angle est augmenté et le procédé répété. Dès qu'une trajectoire indique un chemin libre ou du moins un obstacle à distance suffisante, le robot avance en ligne droite suivant cette trajectoire. La boussole doit être utilisée ici pour vérifier que le robot effectue précisement des rotations des angles souhaités et qu'il sache revenir en position initiale pour éventuellement recommencer avec un angle plus grand.

• Pour permettre de suivre le comportement du robot, faites afficher sur la brique de contrôle MindStorm l'angle de rotation pour le dernier contournement et la distance parcourue le long de la dernière ligne droite.

Intégrez les comportements pour obtenir un robot capable de contourner les obstacles avec un minimum d'intelligence.

Voici un exemple de contournement d'obstacle avec l'algorithme décrit.

• 

  Contournement d'obstacle

Matériel: boite lego MindStorm, module boussole.

Robot téléguidé avec système embarqué

Votre robot doit pouvoir être radio-guidé par un contrôleur. Le dit contrôleur peut diriger le robot au vu de l'image de la webcam embarquée. L'acquisition de la webcam et sa diffusion par WiFi est assuré par un système embarqué FoxBoard. La FoxBoard vous sera livrée configurée mais il faudra l'embarquer dans votre robot avec tous ses accessoires (webcam, module bluetooth, boitier de piles). Un calcul du temps d'autonomie doit être effectué. Dans un premier temps le radio-guidage peut se faire à l'aide du logiciel MindStorm par bluetooth. Dans un second temps il faut étudier la possibilité d'un radio-guidage par WiFi, les ordres étant transmis par un navigateur Web au serveur Web de la FoxBoard puis transmis au micro-contrôleur MindStorm par bluetooth. Vous aurez le choix de programmer votre robot avec le logiciel MindStorm ou avec un langage de bas niveau proche du langage C (voir la page web [1]).

Matériel: boite lego MindStorm, téléphone Android, FoxBoard avec webcam, interface WiFi, convertisseur bluetooth, boitier piles.

Intégration des fonctionnalités

Une fois toutes les études terminées et les solutions implantées (sous forme de briques personnalisées par exemple), vous doterez votre robot des fonctionnalités nécessaires à la réalisation de la démonstration finale. Votre robot doit être capable de suivre des marquages discontinus au sol, être capable de communiquer avec les autres robots, être capable de se repérer dans l'espace en repérant des cartes RFID et enfin doit embarquer une FoxBoard avec une connexion WiFi et une webcam.

Les robots peuvent se trouver soit dans un mode autonome soit dans un mode téléguidé. Dans le mode téléguidé, le robot est contrôlé à l'aide d'un téléphone Android connecté sur le réseau WiFi de l'école. Il doit être possible de le faire avancer, reculer ou tourner. Il doit être possible aussi d'obtenir une image de la webcam.

Le comportement en mode autonome est plus complexe :

• le robot tente de suivre un marquage de couleur au sol, ce marquage peut être discontinu, la boussole est utilisée pour passer en ligne droite d'un marquage à l'autre et pour suivre les marquages ;
• le contrôleur peut demander à un robot de changer de sens de parcours ou de changer de couleur de parcours ;
• dès qu'il trouve une carte RFID sur ce marquage, la FoxBoard est prévenue et stocke une image correspondant à l'identifiant de la carte RFID ;
• les robots communiquent en bluetooth à leur FoxBoard la couleur du parcours suivi, les FoxBoard diffusent cette information entre elles ;
• quand une FoxBoard s'aperçoit qu'un parcours est utilisé par moins de robots qu'un autre parcours, elle peut demander à son robot de changer de couleur de parcours pour équilibrer le nombre de robots.

Démonstration finale

Pour la démonstration finale vous tracerez une grande piste comprenant au moins deux parcours (voir schéma ci-dessous). Des cartes RFID doivent être disposées en des points précis de chaque parcours. Vous placerez vos robots sur l'un des parcours, tous orientés dans le même sens. Les robots vont cheminer un certain temps sur ce parcours (l'occasion de vérifier le bon suivi du marquage au sol et que les robots savent tenir leurs distances). Ils doivent ensuite se répartir automatiquement sur les deux parcours disponibles. Un contrôleur ordonne à son robot de changer de sens de parcours. Les robots devraient se bloquer. Le contrôleur téléguide le robot pour le sortir du parcours, les autres robots devraient se débloquer.

Voici un exemple de double parcours.

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  Parcours double