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Anonyme, 06/04/2021 13:33
Contrôle de la motorisation d'un Robot mobile
Projet GE2-GE3 2013 : Contrôle de la motorisation d'un robot mobile
Entreprise / Client : IRSTEA / Christophe Debain
Auteurs : Papa Amadou Seck & Baddredine Toudghi
Responsable Projet : Roland Chapuis
Tuteur industriel : Gérard Chazelle
1. Résumé
2. Abstract
3. Introduction
4. Présentation du Sujet
5. Cahier des Charges
6. Developpement
1. Problématiques
2. Faisabilité
3. Etude Théorique
4. Solutions
1. Etat d'avancement
2. Analyse Critique
3. Perspectives
Résumé
Dans le cadre de notre projet de fin d’étude en dernière année d’école d’ingénieur, on a eu à effectuer l'avant-projet du sujet proposé par l’IRSTEA concernant « le contrôle de la motorisation d’un robot mobile ». L’IRSTEA est un institut de recherche dans le domaine de la mécanique agricole. Cette étude avait pour but de déterminer la faisabilité du projet ainsi que la mise en œuvre de la partie énergie. Les objectifs sont donc la mise en place d’une nouvelle batterie et d’une carte microcontrôleur. Nous avons trouvé une nouvelle batterie et le système de recharge en pleine utilisation est en train d’être mis en place.
Mots clés :
Robot-Batterie-Branchement à chaud-Microcontrôleur-Modulation à largeur d’impulsions-Liaison série.
Abstract
As part of our final project study last year of engineering school, we had to make the first draft of the proposed topic by IRSTEA on "control of the operator of a mobile robot". The IRSTEA is a research institute in the field of agricultural mechanics. This study aimed to determine the feasibility of the project and the implementation of energy to party. The objectives are the establishment of a new battery and a microcontroller board. We found a new battery and charging system in full use is being implemented.
Keywords:
Robot-Battery-Hotplug-Microcontroller-Pulse width modulation-Serial link
Introduction
L’agriculture est un secteur qui profite depuis de nombreuses années des dernières technologies en date : surveillance des exploitations, automatisations des tâches, optimisation des rendements. Dans un futur proche, ce seront les robots qui feront directement le travail dans les exploitations et ainsi soulageront l’homme dans ce dur labeur.
C’est dans cette optique que l’Institut de recherche en sciences et technologies pour l’environnement et l’agriculture (IRSTEA) originellement nommé CEMAGREF avant 2012 (Centre national du machinisme agricole, du génie rural, des eaux et des forêts) a été fondé en 1981 pour développer le machinisme agricole et le génie rural.
Dans le cadre de ses recherches, l’IRSTEA nous a confié un projet concernant le contrôle de la motorisation d’un robot mobile tout-terrain de type Jaguar. L’objectif du projet est la mise en œuvre d’un nouveau système de la gestion d’énergie et également d’une carte comportant un microcontrôleur qui servira d’intermédiaire entre l’ordinateur (PC) et les cartes de puissance.
On divisera notre rapport en plusieurs parties. Tout d’abord, nous présenterons le sujet, ensuite le cahier de charges du projet puis nous développerons le sujet avec l’étude des différentes problématiques suivie de l’étude théorique et enfin des solutions proposées. Après cela nous présenterons la gestion du projet avec la division en tâches et leur durée et enfin nous ferons le bilan de cette première partie suivie de l’état d’avancement et des perspectives.
Présentation du Sujet
L'IRSTEA est un établissement public à caractère scientifique et technologique français de recherche dans le domaine de l'environnement et de l'agriculture. Les objectifs de l’institut sont la sécurité et la santé des utilisateurs des agroéquipements, l’alliance de performances et du respect de l’environnement pour le matériel agricole et la mise en place de véhicules capables d'évoluer sans intervention humaine, dans un milieu naturel.
Sur le plan environnemental, l’automatisation des machines devrait permettre selon l'institut la mise en œuvre de pratiques plus précises limitant par exemple les impacts négatifs des produits chimiques. Sur le plan humain, cela devrait permettre une meilleure valorisation du travail de l'agriculteur et plus de sécurité.
IRSTEA mène en Auvergne des recherches autour de deux axes, l’un sur des innovations technologiques pour l'agriculture raisonnée et pour l'environnement et l’autre avec les acteurs du développement régional et de l'aménagement du territoire en leur fournissant des outils et des méthodes d'aide à la décision, en réalisant des essais et des actions de normalisation et en apportant sa capacité d'expertise.
Ainsi, dans le cadre de ses recherches, l’IRSTEA nous a confié le projet concernant la gestion bas-niveau de la motorisation d'un robot mobile tout-terrain de type Jaguar.
Le robot dispose de 4 moteurs à courant continu animant chaque roue du robot. Le pilotage de ces moteurs se fait grâce à un ordinateur de type PC embarqué actuellement surdimensionné pour cette application.
Egalement le robot dispose de batteries performantes mais coûteuses et fragiles. De plus, la charge de ces batteries se fait pour l'instant en les déconnectant physiquement du robot, interdisant du coup de développer lorsque les batteries sont en charge.
Dans la première partie, l'objectif sera donc de proposer et d’installer de nouvelles batteries plus robustes et moins chères et ensuite d’ élaborer un système de recharge permettant de faire fonctionner le robot qu'il soit en charge ou non, et ce de manière transparente pour l'utilisateur qui pourra ainsi déconnecter le chargeur pour partir en manipulation avec le robot sans avoir à arrêter l'alimentation de celui-ci.
Dans la deuxième partie l'objectif est de remplacer l’ordinateur par une carte à base de microcontrôleur donc le rôle sera d’interpréter les ordres de contrôle de type consigne de couple et de vitesse issus de l'ordinateur de haut-niveau et de faire réaliser aux moteurs ces consignes en envoyant les commandes aux cartes de puissance au travers de correcteurs numériques à concevoir. La carte devra également récupérer les informations de position (capteurs incrémentaux) des moteurs et de mettre à la disposition de l'ordinateur de haut-niveau les informations de position et de vitesse de chaque moteur.
Les principales contraintes sont liées au prix de la batterie et la capacité de la batterie à être rechargée pendant son utilisation.
Au final le robot disposera toujours d'un tel ordinateur mais celui-ci sera dédié à des tâches de plus haut niveau comme la localisation ou l’évitement des obstacles.
-Etat actuel
-Etat souhaitée
Cahier des Charges
Nous avons divisé notre travail en deux fonctions principales l’une sera la gestion de l’énergie et l’autre la réalisation d’une carte microcontrôleur. Pour la première fonction, on a tout ce qui concerne la nouvelle batterie, sa mise en place et sa charge et dans la deuxième tout ce qui est en rapport avec la carte microcontrôleur pour commander le robot. Cependant, pour cette deuxième fonction, on n’a pas toutes les informations car l’objectif était de faire de la gestion d’énergie en GE4A.
Nous résumerons notre cahier des charges fonctionnel dans les tableaux suivants :
Tableau 1 : F1: Gestion de l’énergie
Tableau 2 : F2 : Réalisation d’une carte microcontrôleur
Developpement
Problématiques
Les différentes problématiques sont :
- a. Batterie
La première chose à réaliser concerne le choix de la batterie. Cette batterie doit avoir les mêmes caractéristiques que la précédente c’est-à-dire fournir une tension de 24 V et un courant de 10 Ah. En plus de cela, la batterie doit être de technologie différente car l’actuelle, la LIPO (lithium polymère) est très dangereuse en matière de transport et d’état de charge car elle ne doit pas dépasser un certain seuil de décharge car elle risque d’exploser. Donc, la nouvelle technologie doit être plus sure.
- b. Chargeur
La batterie choisie doit disposer d’un chargeur intelligent qui permet de régler le courant de charge et d’arrêter la charge de la batterie lorsque cette dernière est pleine.
- c. Branchement à chaud
On appelle branchement à chaud, la capacité de la batterie à pouvoir supporter la charge en pleine utilisation. La nouvelle devra être capable de faire cela car l’ancienne obligeait à arrêter le système, à déconnecter la batterie afin de la charger.
- d. Protection
La nouvelle batterie devra être protégée par un système qui équilibre la charge des cellules et qui permet d’augmenter leur durée de vie.
- e. Connectique
Comme que le système de branchement à chaud devrait être mis en place, il faut mettre en place des bornes sur lesquelles on branchera directement la prise du chargeur.
- f. Devis fournisseur
Après avoir choisi la batterie et le chargeur et éventuellement d’autres composants essentiels à notre système, il faut demander un devis à des fournisseurs qui disposent des éléments requis.
- g. Choix du microcontrôleur
Pour la deuxième partie du projet, le choix du microcontrôleur est indispensable. Ce microcontrôleur doit être capable de fournir des signaux PWM et de faire de la liaison série.
- h. Détermination des autres composants de la carte
Au vue des différentes tâches que la carte aura à faire, il faudra faire une étude des composants qui seront sur la carte.
Faisabilité
Pour chaque partie, nous avons fait une étude de faisabilité :
Compte tenu du volume horaire dont on dispose cette année et de l'année prochaine, la faisabilité de notre projet a été répartie en 2.
La première qui concerne la gestion de l'énergie avec le choix des batteries qui est réalisable en parallèle avec les 54 h de gestion de projet. Durant cette période on pourra choisir notre batterie et son chargeur ainsi que la technologie électronique derrière pour assurer la charge des cellules et les différentes connectiques. Il s'en suivra la commande de la batterie et du chargeur.
La deuxième partie, se fera durant les 140 heures de projet en GE5A et on pourra réaliser la carte avec ces différents éléments puis on fera le programme nécessaire pour commander les moteurs via le microcontrôleur et la récupération des données de haut niveau.
Etude Théorique
a. Partie énergie
Pour la première partie qui consiste à changer la batterie actuelle à cause des différents problèmes qui ont été expliqués dans la partie problématique parmi eux, la charge qui se fait pour l’instant en les déconnectant physiquement du robot, interdisant du coup de développer lorsque les batteries sont en charge en outre le problème de transport, car la batterie actuelle ne supporte pas les températures élevées, le risque aussi d’explosion en cas de non-respect des seuils de charge et de décharge et le système de chargement qui se fait pour l’instant en les déconnectant physiquement du robot, interdisant du coup de développer lorsque les batteries sont en charge, comme montre la figure ci-dessous.
L’objectif maintenant est de choisir une autre technologie de batterie pour remplacer l’existante, mais le choix de cette dernier est crucial dans le processus de conception d’un robot mobile puisqu’il implique d’importantes contraintes au niveau de la conception mécanique et de l’autonomie électrique. Effectivement, le volume occupé par les batteries et le poids qu’elles possèdent influencent de façon importante la conception mécanique au niveau de la disposition des éléments et au niveau du choix des moteurs. Il est donc inévitablement nécessaire de faire des compromis entre autonomie électrique et poids des batteries pour ainsi obtenir un robot qui offre des performances en accélération satisfaisantes et une autonomie électrique également satisfaisante.
Sur le papier, le principe est relativement simple et paraît d’une fiabilité extrême. Dans la réalité, des problèmes de détérioration apparaissent au fil des cycles de charge/décharge, limitant les performances de la batterie. La quantité d’énergie que celle-ci peut stocker décroît ou alors elle ne peut plus restituer la totalité de l’énergie emmagasinée
Pour juger des performances d’une batterie, divers facteurs sont à prendre en considération :
le rapport entre l’énergie stockée et le poids de la batterie (ou entre la puissance fournie et le poids)
le rapport entre l’énergie stockée et le volume de la batterie (ou entre la puissance fournie et le volume)
le taux de décharge admissible (proportion de l’énergie accumulée que l’on peut récupérer sans trop détériorer la batterie) ;
le cyclage maximum (nombre maximum de cycles charge/décharge qu’une batterie peut supporter avant d’être hors d’usage). On parle aussi de « cyclabilité » c’est-à-dire de l’aptitude de la batterie à supporter des cycles successifs charge-décharge ;
la tendance à l’autodécharge.
Il faut aussi considérer la vitesse à laquelle la batterie peut être rechargée et, en fonction de l’usage prévue, savoir si la batterie est à forte densité de puissance, c’est-à-dire si elle peut fournir une forte puissance pendant un temps court (par exemple pour les robots mobiles) ou si elle est plutôt à forte densité d’énergie, c’est-à-dire apte à délivrer une faible puissance mais pendant un temps plus long.
Sur un tout autre aspect, au niveau de la sécurité, il faut éliminer les risques de dissémination de produits dangereux et toxiques, ainsi que les risques d’explosion, y compris en cas de non-respect des règles d’utilisation.
b. Les divers types de batteries traitées
Pour choisir une nouvelle batterie, une étude des quelques technologies a été faite pour déterminer les avantages et les inconvénients :
Les batteries au plomb
Elles fonctionnent avec une électrode de plomb métal et une électrode d’oxyde de plomb (PbO2?) ; l’électrolyte est de l’acide sulfurique dilué.
C’est le type d’accumulateurs bien connu et largement utilisé dans les véhicules routiers (batteries dites de » démarrage »).
Des variantes ont été développées, notamment les batteries « à clapets » ou « à soupapes » ou « scellées », ces dernières ne nécessitant pas de maintenance du fait de l’utilisation d’un électrolyte solide.
La cyclabilité est plutôt faible.
A ce jour, le marché des batteries au plomb est orienté vers 3 utilisations principales :
- les batteries de démarrage pour véhicules à moteur thermique ;
- les batteries de traction pour des véhicules de manutention (chariots-élévateurs, chariots de gare…) et certains véhicules ferroviaires ;
- l’alimentation d’installations ne pouvant pas supporter de coupures d’alimentation électrique (hôpitaux, équipements informatiques…).
Densité d’énergie1 : ~40Wh/kg (80 Wh/l) ; densité de puissance : ~200W/kg
Les batteries lithium ion
Elles fonctionnent selon une réaction réversible d’« intercalation » : des atomes de lithium. Par rapport aux autres, ces batteries sont performantes, à la fois au niveau de la puissance et de l’énergie stockée. l'auto-décharge est aussi relativement faible par rapport à d'autres accumulateurs. Cependant le coût reste important
Densité d’énergie : ~150 Wh/kg (300 Wh/l) ; densité de puissance : ~5 et plus kW/kg
Les batteries lithium ion polymères
Le principe est identique au type précédent. La différence majeure est l’électrolyte qui cette fois est solide et qui est composé de polymères qui assurent la circulation des ions lithium entre les 2 électrodes. L’avantage de cette architecture est lié à l’absence de liquide dans la batterie.
Densité d’énergie : ~170 Wh/kg (300 Wh/l) ; densité de puissance : ~600 W/kg
Les batteries lithium métal polymères
Par rapport aux batteries lithium ion, le lithium métal polymères est issues d’une technologie développée récemment l’évolution concerne la nature de la cathode : il s’agit ici de lithium métallique. Les accumulateurs au phosphate de fer à la cathode sont moins couteux, non toxiques et plus stables et sûrs (ne libère pas d’oxygène lors de l’utilisation).
Densité d’énergie : ~220 Wh/kg (350 Wh/l)
c. Systèmes de chargement
Pour la partie branchement à chaud la solution retenue qui permet de fonctionner le robot qu’il soit en charge ou non, et ce de manière transparente pour l’utilisateur qui pourra ainsi déconnecter le chargeur pour partir en manipulation avec le robot sans avoir à arrêter l’alimentation de celui-ci. Le schéma ci-dessous élabore cette solution qui consiste a réalisé un boitier dans lequel sera intégrer notre chargeur et aussi l’alimentation qui permet la continuation de l’alimentation au moment de chargement de la batterie à la sortie de note boitier on aura un simple câble qui sera brancher ou débrancher facilement sur notre robot comme la montre la figure ci-dessous.
Pour le schéma électrique du branchement a chaud il consiste à ajouter un relais 2RT ce dernier est un organe électrique permettant de dissocier la partie puissance de la partie commande, en fait il permet l’ouverture/fermeture d’un circuit électrique par un second circuit, dans notre système il a un rôle primordial au moment de branchement de notre chargeur et notre alimentation secondaire, la commutation du relais permet d’alimenter cette fois notre système avec l’alimentation choisit de 24/5A ce qui assure à l’utilisateur le fonctionnement normal du robot même au moment de chargement des batteries qui ce fait à ce temps-là. Et deuxièmes il empêche tous dysfonctionnement que le chargeur peut causer au système au moment de la charge de batterie. Une diode de puissance est aussi utilisée ce qui permet de protéger notre alimentation au moment du branchement afin d’éviter que le courant passe dans l’alimentation.
Solutions
Les solutions proposées pour chaque partie sont les suivantes :
a. Batterie
La solution retenue a été la technologie lifepo4 (lithium fer phosphate) et une batterie de ce type a été choisie (voir annexe 3). La batterie a été retenue pour les avantages qu’il présente comme la sécurité,
b. Chargeur
Après avoir choisi la batterie, le chargeur de l’ancienne batterie a été retenu car il est compatible avec la nouvelle technologie (voir annexe 4).
c. Branchement à chaud
On appelle branchement à chaud, la capacité de la batterie à pouvoir supporter la charge en pleine utilisation. La nouvelle devra être capable de faire cela car l’ancienne obligeait à arrêter le système, à déconnecter la batterie afin de la charger.
d. Protection
Les modèles de batteries ont un système de gestion de batterie (BMS). BMS surveille les principaux paramètres opérationnels pendant le chargement et le déchargement tels que les tensions, les courants et les températures internes. Il y a trois principaux objectifs communs à tous les systèmes de gestion de la batterie (BMS) sont:
Protéger les cellules ou la batterie de dommages causés par la surcharge ou de décharge trop faible.
Prolonger la durée de vie de la batterie avec l'équilibrage de cellule.
Maintenir la batterie dans un état de fonctionnement sûr. Il permet aussi la protection de nos batterie en l'empêchant de fonctionner en dehors de sa plage de fonctionnement typique, surintensité, surtension (lors du chargement) et sous-tension (lors de la décharge) à l’aide des interrupteur interne ou des dispositifs externes à la batteries qui permettent de réduire ou de mettre fin à son utilisation en outre le système BMS permet aussi Le contrôle de l’environnement afin d’éviter les sous-température, par des radiateurs, des ventilateurs, ou des réfrigérant liquide.
Pour notre batterie, ce système est directement intégré.
e. Connectique
Pour cette partie nous allons relier les 2 bornes de la batterie et faire une prise sur laquelle le chargeur sera directement branché.
f. Devis fournisseur
La batterie étant trouvée chez un fournisseur américain, on a décidé de contacter un intermédiaire en France qui va se charger de l’acheter. Il s’agit de « Varenne PSM » qui nous a fourni un devis (voir annexe 5).
g. Choix du microcontrôleur
Un robot mobile devant raisonner dans le but d’accomplir différentes tâche et doit être muni de différents capteurs et actuateurs interfacés par une unité de traitement informatique (microcontrôleur ou ordinateur embarqué).
Que cherchons-nous à faire généralement?
Les robots mobiles sont souvent munis de moteurs DC (courant-continue). En général, nous désirons les contrôler en vitesse ou en position, grâce à une boucle de contrôle performante (exemple: contrôleur PID). Mais un contrôleur individuel pour chacun des moteurs n’est peut-être pas la solution désirée. Il existe donc différentes architectures possibles permettant d’implanter différents types de contrôleur.
Mais parfois, un contrôleur individuel pour chacun des moteurs n’est peut-être pas la solution désirée. Il existe donc différentes architectures possibles permettant d’implanter différents types de contrôleur.
La conception électrique et électronique doit débuter avec le choix de l’architecture. Le choix de l’architecture du système électrique et électronique constitue en fait l’identification de toutes les composantes qui formeront le système. Nous pouvons diviser cette architecture en deux sections, soit l’alimentation et l’électronique de contrôle.
Les sections suivantes présentent l’architecture qui a été retenue.
Mis à jour par Anonyme il y a environ 4 ans · 17 révisions