Projet 5A 2020 2021

Dans le cadre de notre projet de fin d'étude, nous avons choisi de travailler sur l'amélioration des robots de Polybot, le club de robotique de Polytech Grenoble, dans l'objectif de participer à la Coupe de France de Robotique 2021. Après réflexion et discussion avec les autres groupes et notre tuteur, nous avons décidé d'apporter des améliorations aux robots via deux sous-projets que vous découvrirez plus en détail dans la suite de ce rapport : la création d'une nouvelle carte de puissance et l'affichage des données en temps-réel concernant le robot.

Présentation du projet

La coupe de France de robotique

Thème de la compétition

La Coupe de France de Robotique est un défi s’adressant à n’importe quelle équipe de jeune s’intéressant à la robotique. Les participants doivent concevoir puis réaliser un robot autonome, conforme au règlement et apte à participer aux matchs organisés. Chaque match oppose 2 robots. Le but pour chaque robot est de réaliser différentes actions afin de récolter plus de points que l’adversaire.

Cette année, la coupe de France de robotique aura lieu à la Roche-Sur-Yon en Mai 2021. Le thème de cette année est “Sail the World”. Le terrain représentera une carte du monde sur laquelle se trouveront des phares, des chenaux, des gobelets (représentant des bouées), des drapeaux ou encore d’autres éléments avec lesquels pourra interagir notre robot pour gagner des points.

Terrain de la compétition

Présentation du robot principal

Robot principal

Deux robots sont actuellement en préparation pour participer à la coupe de France de robotique 2021. Mais pour l’instant, seul le premier robot est déjà à un stade avancé. Pour ce projet on se concentrera donc principalement sur ce premier robot même si la plupart de nos modifications seront applicables sur le second robot quand il sera construit.

Composants du robot
Le robot principal est composé de :

• 2 moteurs
• 2 encodeurs
• Stepper (moteurs pas-à-pas)
• Servomoteurs (non utilisés pour le moment)
• Carte STM32 F446 Nucleo-64

Microcontrôleur STM32 F446

Fonctionnement du robot
Comme nous l'avons mentionné plus haut, le robot devra interagir avec son environnement. On pourra par exemple demander lui demander de :

• Ramasser des gobelets
• Activer les phares
• Relever les drapeaux
• Revenir à sa base

Les moteurs permettent les déplacements du robot via la rotation de ses 2 roues motrices. Les encodeurs permettent de déterminer le nombre de tours qu'a effectué chacune des roues, nous pourrons ainsi en déduire la position du robot ainsi que sa vitesse. Les servomoteurs ne sont pas utilisés pour le moment. Enfin, le microcontrôleur STM32 nous permet de gérer le fonctionnement de robot. En effet, celui ci va exécuter le programme mis en mémoire qui envoie des consignes pour gérer le comportement de tous les composants reliés à la STM32.

Présentation de notre projet

Objectifs

Cette année, nous avons choisi de travailler sur 2 sous-projets :

• Projet 1 : Réalisation d'une carte de puissance pour les robots

• Projet 2 : Récupération et affichage des informations concernant le fonctionnement du robot, à distance

L'objectif du projet 1 est de réaliser une carte de puissance afin de protéger la batterie et d'avoir une alimentation stable. On devra également prévoir le cas où l'on ajoute une carte Raspberry sur le robot. En effet, la Raspberry nécessite une alimentation continue tandis que la STM32 non. Florian et Flavien s'occuperont de cette partie du projet.

L'objectif du projet 2 est de récupérer des données sur le bon fonctionnement du robot (coordonnées, état, tension de la batterie...). Nous allons donc choisir un mode de communication fiable nous permettant d'afficher toutes ces données sur un ordinateur, une tablette ou un smartphone. Si nous avons le temps, nous développerons peut-être une application permettant de se connecter au robot et d'afficher les informations recueillies. Cette application pourrait également servir à connecter les autres robots (actuels ou futurs) de Polybot. Camille et Valentin s'occuperont de cette partie du projet.

Participants

Prénom & Nom	Filière
Camille Langrand	IESE-5
Flavien Mougeot	IESE-5
Florian Jacquin	IESE-5
Valentin Blumert	IESE-5

Tuteur: Sylvain Toru

Organisation de notre équipe

Outils de communication

Nous étions donc 4 pour ce projet. Nous nous sommes donc répartis le projet en 2 sous projets (présentés ci-dessus) et nous avons travaillé en binôme sur chacun d'entre eux. Nous avons ainsi travaillé pendant environ 7 semaines environ dans les locaux de Polybot la plupart du temps. Nous avons fait très peu de télétravail du fait du matériel nécessaire.

Pour l'organisation du projet, nous avons utilisé plusieurs applications, notamment :

• Google Drive : pour le partage de fichiers
• Messenger : pour la communication écrite
• GitLab : pour le partage de codes
• Wiki : pour la rédaction de notre avancement sur le projet

Afin d'avancer efficacement, nous avons dès le début réfléchi aux différentes étapes qui allaient constituer notre projet. Cela nous a permis de voir à peu près la quantité de travail à réaliser. Une fois la liste établie, nous avons pu créer un diagramme de Gantt afin de pouvoir visualiser notre avancement au fil des séances.

Projet 1 : Carte de Puissance

Le but de ce projet est de réaliser une carte d’alimentation polyvalente qui pourra s’adapter sur les deux robots. Le but de cette carte est de fournir des alimentations stables, tout en protégeant la batterie contre la décharge abusive, et d’isoler aussi la Raspberry contre les arrêts d’urgence qui l'endommagent.

Cahier des charges

Schéma général de distribution

Les circuits de puissance:

• 5V (200mA max)
  • STM32L432 (mini STM)
• 5V (4A max)
  • STM32 (0.5A max)
  • Servo (2.5A max)
• 5.2V (2A max)
  • Raspberry
• 12V (4A max)
  • Moteur pas à pas
• Moteurs
  • Connecté en direct sur la batterie via le contrôleur

Tensions de coupure:

• 90% de Vnom => 13.32v
  • Buzzer
  • Led
• 85% de Vnom => 12.58V
  • Coupure moteurs
  • Coupure 5V (STM principale, servo)
  • Coupure 12V (Moteur pas à pas)
• 80% de Vnom => 11.84V
  • Coupure Raspberry

(avec Vnom=14.8V et Vmax=1.144*Vnom=17V)

Réalisation

Comme vu plus haut, on part sur une solution de protection et d'alimentation gérée et coupée par une STM32. Nous allons voir ici comment nous coupons l'alimentation dans les cas de batterie faible.

Circuit relais

Nous optons pour une solution de coupure à base de relais normalement ouverts. Ils seront pilotés par des transistors NMOS, et reliés à la tension de batterie comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous.

Circuit de coupure

Le relais sur cette image n'est pas le relais utilisé (on utilise le relais HF118F)

Ces relais ont une résistance de 113 ohm et ont une tension de bobine de 5V. Donc ces transistors sont dimensionnés pour faire passer du 50mA dans la bobine du relais. On choisit alors de commander des NMOS CMS, pour prendre moins de place et pour avoir un peu de challenge pour les souder. En effet, on a un contact à l'IUT de Grenoble pour utiliser des machines spéciales pour souder des CMS. C'est une bonne occasion pour apprendre à souder de cette manière.

Composants commandés et schéma final

Pour cette carte, nous avons donc réalisé ce schéma sur KiCad:

Le schéma final

On a donc commandé les composants dont la liste est affichée ci-dessous:

Tous les composants commandés

Projet 2 : Écran de contrôle

Etude préliminaire du sujet

Cahier des charges

Différents modes de communication

• Système fiable, donc plateforme Raspberry/STM et moyen de communication RF/bluetooth/WiFi à choisir par rapport à ça.
• Documentation du projet sur le wiki polybot
• Affichage des infos telles que:
  • Les coordonnées des robots
  • L'état (blocked, busy, idle etc)
  • Les points du suivi du parcours
  • La tension de batterie
  • ...etc
• Boutons de contrôle/écran tactile/switchs?

Contraintes

• Interdiction de commander le robot à distance pendant la compétition
• L'organisation de la Coupe de France utilise des dispositifs radio à hautes fréquences pouvant entraîner des dysfonctionnements.
• Un grand nombre de robot sera présent à la compétition, attention aux interférences.
• On désire un système fiable.

Environnement de travail
Pour ce projet, nous avons utilisé plusieurs outils. Voici ceux que nous avons le plus utilisé :

• MBED : Logiciel que nous avons utilisé au début pour tester la communication avec la STM.
• SMTCubeIDE : Permet de programmer le fonctionnement et le comportement du robot. Dans notre cas, on l'utilise pour écrire le programme qui permet l'affichage des données.
• MIT - App Inventor : pour la réalisation de l'application permettant d'afficher les données recueillies
  

Environnement de travail

Étapes principales du projet 2
Nous avons réfléchis aux grandes étapes qui vont composer ce projet :

• Le choix, la commande et le montage des composants
• La communication entre la STM32 et le module HC-06
• Affichage des données (communication entre le module HC-06 et le terminal/application via Bluetooth)
• Réalisation d'une application pour un meilleur affichage des données
  

Choix, commande et montage des composants

Module Bluetooth HC-06

Choix du protocole de communication

Pour répondre au cahier des charges, nous avons choisi d'utiliser une communication Bluetooth pour envoyer les données souhaitées à depuis notre microcontrôleur STM32. En effet, il s'agit d'un moyen de communication suffisamment fiable et plutôt simple à implémenter. De plus, nous n'avons pas besoin d'une grande distance de fonctionnement, ni de beaucoup de stockage. Le Bluetooth semble donc être une solution adaptée pour répondre à notre cahier des charges.

Choix et commande des des composants
Après quelques recherches, nous avons découvert le module HC-06 qui permet de réaliser une liaison Bluetooth entre des microcontrôleurs et un autre appareil. Nous avons donc commandé ce composant en double. Il s'agit du seul matériel que nous avons eu besoin de commander pour ce projet.

Connexion STM et HC-06 (dans le cas du protocole UART1)

Montage des composants

Concernant le montage du montage sur la STM32, il suffit de brancher les 4 pins du module sur la STM32 :

Pin HC-06	Pin STM32
VCC	5V
GND	GND
RXD	en fonction du protocole de communication
TXD	en fonction du protocole de communication

Communication STM/HC-06

Protocoles de communication existants
Après avoir connecté notre module Bluetooth HC-06 à la STM, il faut maintenant réaliser une communication entre les 2 composants pour envoyer les informations souhaitées sur le module HC-06 qui transmettra ensuite ces informations à notre application via Bluetooth. Il existe différents protocoles de communication comme le SPI, I2C, UART, CAN... Après quelques recherches, nous nous sommes rendus compte que pour ce genre de système, l'UART offrait une communication série fiable et plutôt simple à implémenter. Nous avons donc choisi d'utiliser le protocole UART et plus particulièrement l'UART3 de la SMT32 car il n'est pas encore utilisé par le robot (l'UART1 et 2 étaient déjà pris). On branchera donc la pin RXD du module Bluetooth sur la pin PB10 de la STM32 et la pin TXD du module sur la pin PC5 de la STM32.

• La liaison UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) est une liaison “point à point”, ce qui signifie que deux dispositifs numériques sont connectés entre eux directement, sans passer par un routeur ou tout dispositif qui permettrait d’aiguiller des trames venant d’un émetteur vers plusieurs récepteurs. Une liaison “point à point” est clairement une version très simple et rudimentaire de liaison série. Il existe d’autres normes que la liaison UART en mode “point à point” mais c’est la plus utilisée car, comme son nom l'indique, elle revendique d’être universelle.
• On distingue ensuite les liaisons multipoints à bas débit. On connait par exemple le CAN (pour Controller Area Network) utilisé notamment dans l’automobile. L’idée, dans l’automobile ou dans les véhicules en général, est de diminuer les kilomètres de câbles qui permettent de relier tous les dispositifs numériques entre eux, en connexions point à point. C’est donc un BUS (pour Bit Unit System) qui relie en mode multipoint tous les systèmes numériques entre eux (l’ABS, le contrôle de trajectoires ESP, les éléments de confort, climatisation, chauffage, etc.). Une unité centrale envoie des trames que tous les dispositifs esclaves reçoivent, mais dans la trame figure également le destinataire qui seul exécutera la commande correspondante.
• Enfin, on distingue les liaisons multipoints à haut débit comme Ethernet, mis en œuvre pour Internet, USB ou FireWire.

Présentation du protocole UART
La liaison UART (pour Universal Asynchronous Receiver Transmitter), se veut universelle et est implémentée dans la quasi-totalité des microcontrôleurs du marché (STM, Arduino...).

Une trame UART est composée de la manière suivante :

• Un bit de START à 0 qui sert à synchroniser l’envoi de la trame avec le récepteur;
• Les bits de données dont la taille est comprise entre 5 et 9 bits qui sont envoyés du LSB (bit de poids faible) au MSB (bit de poids fort);
• Un bit de parité pour le contrôle d’erreur;
• Un ou deux bits de STOP à 1 pour marquer la fin de la trame. Le niveau logique de repos est le 1.

Fichier:Constitution trame uart.png

Trame UART

Quand on initialise la liaison (il faut le faire du côté émetteur et aussi du côté récepteur), il faut initialiser de façon cohérente des deux côtés de la liaison. En particulier, il faut régler la vitesse de transmission sur l’une des vitesses standard (le Baudrate). Pou ce projet, nous allons utiliser un baudrate de 9600 qui correspond à 9600 bits par seconde. C’est suffisamment rapide pour que la transmission de quelques chaînes de caractères assez courtes semble instantanée, et suffisamment lent pour permettre au code STM de tourner.

Réalisation de la communication via UART
Pour réaliser la communication UART entre la STM32 et notre module Bluetooth, on commence par brancher les câbles comme mentionnées un peu plus haut. On doit ensuite configurer notre projet sur STMCubeIDE. Pour cela il suffit de sélectionner l'UART, de l'activer puis de régler certains paramètres. On pourra ainsi modifier le baudrate, la structure de la trame (nombre de bit de stop, nombre de bits de données...), activer ou non les interruptions...

Réglage des paramètres de l'UART3

Une fois ces réglages réalisés, notre communication est opérationnelle. On pourra ainsi utiliser différentes fonctions dans le code de la STM32 pour envoyer les données sur les pins de l'UART3. On utilisera par exemple les fonctions :

• HAL_UART_Transmit_IT(&huart3, (uint8_t*) txt_a_envoyer ",sizeof(txt_a_envoyer));
• HAL_Delay(temps) qu'on remplacera par osDelay(temps) avec l'utilisation de FreeRTOS

On pourra ainsi envoyer des données et aller les récupérer via un terminal (connecté au module Bluetooth) ou a une application.

Réception de données sur le terminal

Affichage des données

Choix des valeurs à afficher
Nous avons discuté avec les autres groupes travaillant sur le robot pour savoir quels types d'informations ils aimeraient que l'on affiche sur notre écran. Nous allons donc afficher les données suivantes :

• Tension de la batterie
• Encodeurs (nombre de tours réalisé par chaque encodeur)
• Vitesse du robot
• Coordonnées du robot (position)
• Trajectoire (peut-être), le but serait qu'à la fin du parcours on affiche graphiquement la trajectoire qu'a emprunté le robot. Mais à voir si cela est possible et utile surtout

Nous aimerions également pouvoir stocker les données recueillies pendant le parcours du robot. Toutes ces informations pourront nous permettre pendant le parcours de vérifier le bon fonctionnement du robot. En cas d'erreur/problème/bug on pourra étudier les données stockées pour tentant de trouver l'origine du problème. A MODIFIER EN FONCTION DE NOTRE AVANCEMENT

On pense également qu'il pourrait être intéressant de rajouter une option sur l'écran de contrôle permettant l'arrêt d'urgence du robot en cas de problème détecté. Pour cela, nous avons travaillé avec Florian et Flavien qui travaillent sur la carte de puissance pour qu'ils intègrent cela à leur système. A MODIFIER EN FONCTION DE NOTRE AVANCEMENT

Affichage des valeurs souhaitées

• parler de la synchronisation de la clock de l'appli avec la synchronisation des Delay.
• parler de comment on récupére les données dans le code du robot (encodeurs et tension)
• parler des calculs pour déterminer les valeurs de la vitesse et de la position.
• parler des différentes lignes de code : sprintf, hal_uart_transmit, osDelay(200)...

Réalisation de l'application

Interface

• METTRE LE QR CODE DE L'APPLICATION POUR LA TELECHARGER (la dernière version de l'appli)

Programmation

Résultats et bilan du projet

Résultat et performances

Difficultés rencontrées
Voici les principales difficultés que nous avons rencontrées durant ce projet :

• Réalisation du diagramme de Gantt et avancement du projet : Par manque d'expérience nous ne connaissions pas toujours le temps nécessaire à la réalisation de chaque étape. Nous avons donc eu un peu de mal à respecter le diagramme de Gantt prévu, mais heureusement nous allions en général toujours plus vite que prévu. Nous avons également constaté que de nouvelles étapes arrivaient au fur et à mesure du projet, des étapes que nous n'avions pas prévu à la base. Mais grâce à notre avance, nous avons eu le temps de réaliser ces nouvelles étapes.
  

Améliorations possibles

A MODIFIER EN FONCTION DE NOTRE AVANCEMENT

Concernant le projet 2, nous aurions pu ajouter plusieurs fonctionnalités supplémentaires : par exemple le stockage des données affichées (afin de pouvoir étudier ensuite ces données pour déceler un potentiel dysfonctionnement), l'ajout sur l'application d'un bouton d'arrêt d'urgence permettant de contrôler le robot (le groupe travaillant sur la carte de puissance on fait en sorte que cela soit possible dans leur système).

Suivi du projet

• Semaine 1
• Semaine 2
• Semaine 3
• Semaine 4
• Semaine 5
• Semaine 6
• Semaine 7

Sources

• http://thierryperisse.free.fr/documents/TER/TER-BUS-CAN/note_application_com_pic_mppt.pdf
• https://www.technologuepro.com/cours-systemes-embarques/cours-systemes-embarques-Bus-CAN.htm
• https://openclassrooms.com/fr/courses/5224916-developpez-un-robot-mobile-connecte-par-bluetooth/5500616-utilisez-une-liaison-serie-uart