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
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.
Présentation du 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
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. Les steppers (moteurs pas-à-pas) permettent de ????.
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 des informations sur 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
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 faire. Une fois la liste établie, nous avons pu établir un diagramme de Gantt afin de pouvoir visualiser notre avancement au fil des séances.
Gestion de projet de façon Agile
A COMPLETER GRACE AUX COURS DE MPI
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
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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.
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.
Bus CAN
Convertisseurs de tension
Connecteurs
Microcontrôleur
Composants commandés et schéma final
Pour cette carte, nous avons donc réalisé ce schéma sur KiCad:
On a donc commandé les composants dont la liste est affichée ci-dessous:
Projet 2 : Écran de contrôle
Etude préliminaire du sujet
Cahier des charges
- 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
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 PC (ou autre périphérique)
- Affichage des données
- Réalisation d'une application pour un meilleur affichage des données
Choix, commande et montage des composants
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.
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.
Nous avons également décidé de stocker les données recueillies afin d'analyser les potentiels dysfonctionnement du robot.
Communication STM/PC
Protocoles de communication existants
Présentation du protocole UART
Réalisation de la communication via UART
Affichage des données
Choix des valeurs à afficher
Affichage des valeurs souhaitées
Réalisation de l'application
Interface
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