Thymio Comedy – Act 3

Sommaire

1 – Chaîne d’information
2 – Les composants
3 – La motorisation
4 – L’accéléromètre
5 – Capteur de ligne et de distance
6 – Epilogue

Ce TP est interactif. Clique sur les mots écrits en bleu dans le texte pour accéder à des documents ou à des informations.
Le document de synthèse est accessible en cliquant ici.

Léonard : Les semaines précédentes nous avons fait de l’Informatique et de la Mécanique. Pour clore cette comédie il nous reste à parler de l’Electronique.
Comme tu as pu le constater en SI on fait de l’algorithmie, de la programmation, des simulations, mais aussi beaucoup d’autres choses que l’on n’a pas eu le temps de développer tel que l’implantation d’un programme dans une carte à base de microcontrôleur.

Watson : La programmation je connais. En techno et en maths au collège j’ai fait des programmes en scratch.

Léonard : Je vois, tu as quelques connaissances. C’est un bon début. Mais la programmation en scratch c’est bien pour des applications simples lorsque l’on débute, mais c’est très limité. Pour mieux comprendre comment fonctionne le robot Thymio, il faut avoir des notions sur la chaîne d’information, connaître les composants le constituant, analyser des schémas et des documents techniques, faire de la programmation en Java, langage C, Python …
Nous allons commencer par la notion de chaîne d’information.

1 – Chaîne d’information
Pour communiquer, notre robot a besoin de 3 familles de composants qui interagissent ensemble de façon ordonnée.
Les capteurs (sensors) recueillent des informations de l’environnement (world) et les transmettent à l’organe de traitement (controller). Celui-ci traite les informations par le biais d’une carte disposant d’un microcontrôleur programmable et envoie des informations vers les actuateurs (actuators) qui réaliseront les actions demandées au robot.

La chaîne d’information est une boucle car tant que le programme n’est pas terminé, le robot va interagir avec son environnement.

Figure 1 : La boucle capteur-actionneur (image originale de Stéphane Magnenat)

Watson : Un peu de culture avant de poursuivre. Le premier robot de tous les temps a été conçu par un ingénieur français : Jaques de Vaucanson. Regarde cette vidéo pour en savoir plus sur ce que nous a légué ce grand savant.

2 – Les composants

Figure 2 : Vue éclatée


En dessous de Thymio, on peut voir :
les deux capteurs de ligne, la boule coulissante, les quatre trous de vis, le trou de support de crayon et le crochet de remorque.

À l’intérieur du boîtier inférieur, les
moteurs sont vissés sur le châssis et
la batterie est placée entre les deux.



Motoréducteur DG01D
Alimentation à prévoir: 3 à 9 Vcc
Vitesse à vide: 90 tours/min sous 4,5 Vcc
Couple: 0,8 kg.cm
Consommation à vide: 190 mA sous 4,5 Vcc


Batterie Li-po
Tension : 3.7 V
Capacité : 1500 mAh
Autonomie : entre 3 et 5 heures

Le circuit imprimé du sélecteur et la carte mère sont assemblés séparément.
Les moteurs et la batterie sont connectés à la carte mère qui est placée sur le dessus. Tous les
Capteurs IR sont logés dans des espaces prévus sur le chassis.
Finalement le boîtier supérieur est vissé en place, après avoir branché le haut-parleur.
Figure 3 : Le thymio 2 de bas en haut

Watson : On va pouvoir faire des choses sympas avec la batterie. Regarde cette vidéo Léonard, C’est ça l’objectif de la séance d’aujourd’hui? .

Léonard : Tu es un véritable danger public mon cher Watson. C’est une mauvaise blague. Le courant électrique peut être très dangereux. Il faut prendre beaucoup de précautions lorsque l’on travaille sur des circuits électriques.

3 – La motorisation

Léonard : L’objectif de cette activité va être de simuler le fonctionnement d’un motoréducteur afin d’analyser ses performances.

Watson : C’est quoi un motoréducteur ?

Léonard : Un motoréducteur est un moteur auquel on a associé un réducteur de vitesse. Regarde les deux images ci-dessous tu comprendras mieux :

micro moteur
micro motoréducteur

Watson : Quel est l’intérêt d’utiliser des motoréducteurs sur des projets robotiques ?

Léonard : L’intérêt du réducteur, c’est que le robot ait suffisamment de force pour les tâches qu’il devra accomplir. Par contre la vitesse de rotation de l’axe de sortie sera plus petite. On ne peut pas tout avoir.
Le choix d’une bonne motorisation nécessite des compétences que tu apprendras si tu choisis de poursuivre en SI l’an prochain ou de t’orienter en Sti2D. C’est tout une culture.

Léonard : La tâche que tu vas maintenant devoir faire consiste à vérifier les informations communiquées par le fabricant des motoréducteurs (gearmotors) utilisés sur le robot Thymio. Pour cela tu vas devoir reproduire un circuit électronique, écrire un programme puis tester le comportement d’un des motoréducteurs utilisé sur le robot Thymio.

Tinkercad est un petit logiciel en ligne gratuit qui permet de simuler le fonctionnement d’un circuit électronique.
Pour vous inscrire, vous connecter et apprendre à vous en servir, cliquer
ici.

Léonard : N’ayant pas à ma disposition le matériel nécessaire pour faire des essais en grandeur réelle, tu vas devoir utiliser “Tinkercad” pour apprendre certaines choses sur les moteurs et pour vérifier les données constructeur (figure 3).
Pour cela tu vas devoir te créer un compte chez Autodesk en suivant les informations que tu trouveras dans la rubrique “Articles” ou en cliquant sur mot “ici” dans la description du logiciel, au dessus de ma citation.

Léonard : Pour cela tu vas devoir reproduire un circuit électronique, écrire un programme puis simuler le comportement du motoréducteur utilisé sur le robot Thymio avec le logiciel de simulation Tinkercad circuit.

Léonard : Ensuite, suis bien les différentes étapes qui vont te conduire à la réalisation de ton montage virtuel.

Watson : Allez, c’est parti. Suivons les instructions que m’a données sir Léonard.

Etape 1 : Installer sur l’espace de travail tous les composants dont nous aurons besoin:
Pour cela il faut sélectionner ” Circuits” puis “Créer un nouveau circuit“.
Rechercher les composants nécessaires à l’élaboration du circuit en tapant leur nom dans la zone de recherche ou en naviguant dans la bibliothéque de composants sur la droite de l’écran, puis les installer dans l’espace de travail.

– 1 Arduino Uno R3
– 1 Hobby Gearmotor
– 1 Breadboard mini”
– 1 L293D
– 1 Power Supply

Figure 4 : Liste des composants


Pour orienter les composants dans le sens voulu il faut utiliser le bouton rotation.

Etape 2 : Réaliser le câblage en installant les connecteurs comme sur l’image ci-dessous.

Figure 5 : Schéma de câblage

Etape 3 : Saisir le code du programme en mode “Text“. (La codification en mode “Blocks” est impossible à faire pour ce type de circuit électronique)
Il faut faire très attention à la syntaxe en langage C. Il suffit d’oublier un point virgule, de ne pas respecter les Majuscule et minuscule… et le programme ne fonctionne pas.
Par contre si la couleur du texte est différente de l’image ci-dessous lors de la saisie du programme avec l’éditeur de Tinkercad, cela ne posera pas de problème.

Etape 4 : Tester le programme et compléter le document de synthèse.

Watson : C’était super cool ce petit logiciel. Et maintenant que vas t’on faire ?

4 – L’accéléromètre

Léonard : Je vais te faire découvrir un des composants souvent utilisés en robotique : l’accéléromètre.

Watson : Cela paraît évident, ça sert à mesurer des accélérations.

Léonard : Oui bien sûr, mais cela peut servir aussi à d’autres choses.
Prends connaissances des informations données ci-dessous et tu en sauras un peu plus sur celui-ci.

Le robot Thymio dispose d’un accéléromètre MMA7660FC

Travail à faire :
Rechercher dans la documentation du composant sa consommation maximum en milliampère (mA). Pour vous aider à répondre aux questions demandées dans le document de synthèse vous pourrez utiliser un convertisseur d’unités en ligne.

Le principe de fonctionnement d’un accéléromètre est décrit dans la vidéo accessible en cliquant ici .
Répondre aux questions se rapportant à celle-ci en complétant votre document de synthèse.

Léonard : Un peu de pratique maintenant pour mieux comprendre les usages de ce composant. Tu vas devoir commencer par installer une application sur ton smartphone.

Watson : Cool, je vais pouvoir utiliser mon outils préféré.

Léonard : Installe sur ton smartphone l’application :
App Store (IOS): Phyphox
Google Play (Androïd) : Phyphox
Clique ici pour accéder au tutorial.

Lorsqu’un téléphone portable est posé sur une table, il ne subit aucun mouvement. On s’attend à avoir « 0 g » d’accélération selon les 3 axes x, y, et z, mais il indique en réalité « 1 g » d’accélération selon l’axe (z’z). Il mesure en effet le poids de la tige en silicium et ne fait donc pas de différence entre la gravité et l’accélération. De cette manière, le smartphone peut détecter s’il est couché ou debout (à l’horizontale ou à la verticale) grâce à la valeur « 0 g » ou « 1 g » de son accéléromètre selon l’axe (y’y). Avec trois accéléromètres sur les 3 axes de l’espace, on peut donc savoir l’orientation d’un objet. C’est grâce à ce procédé qu’un smartphone réarrange l’orientation des photos quand on tourne son écran dans le plan (O, x, y).

Position(x,y,z)Affichage

Smartphone à l’horizontale,
posé sur sa tranche.
x = ………. m/s2
y = ……….m/s2
z = ……….m/s2

Smartphone à la verticale,
posé sur sa tranche.
x = ………. m/s2
y = ……….m/s2
z = ……….m/s2

Smartphone posé à plat
sur une table.
x = ………. m/s2
y = ……….m/s2
z = ……….m/s2

Pose ton smartphone à plat sur une table sans nappe et fais tomber un objet à côté.
Faire la même chose en posant le smartphone sur une table avec une nappe.


Recopie l’aspect des 2 courbes sur le document de synthèse. Que constates-tu ?

Détection de la chute libre :
L’état d’apesanteur, correspondant à « 0 g » est impossible à obtenir sur Terre sauf si l’objet considéré est en chute libre : smartphone lâché dans le vide (Expérience à ne pas faire). Dans cette condition, l’accélération est nulle dans le référentiel du smartphone (c’est-à-dire égale à « 0 g ») pendant la chute de l’objet.
Les accéléromètres permettent donc de facilement détecter la chute libre.
Un accéléromètre trois axes avec les trois capteurs indiquant « 0 g » détectera alors que le smartphone est en chute libre.

5 – Capteur de ligne et de distance
Léonard : Pour conclure sur les composants nous allons parler des capteurs de détection infrarouge.

Le robot thymio est équipé de capteur ITR9909

Watson : Comment ça fonctionne

Léonard :

Un capteur infrarouge permet de doter un robot de la capacité de détection et de mesure d’obstacle. Ce type de capteur est souvent utilisé en robotique car il est généralement bon marché.
Le capteur infrarouge est constitué d’un récepteur qui détecte l’intensité lumineuse dans la gamme des lumières infrarouge et d’un émetteur de lumière infrarouge.

Le spectre électromagnétique

Le capteur infrarouge peut être utilisé comme capteur de contact. On fait une mesure avec la led infrarouge éteinte et une avec la led infrarouge allumée. S’il n’y a aucun obstacle proche, la valeur lue est la même. Sinon, l’obstacle aura réfléchi la lumière infrarouge et la deuxième mesure donnera un résultat plus élevé.

Le capteur infrarouge peut être utilisé pour suivre une ligne noire sur fond blanc (ou l’inverse). En effet, le noir réfléchit beaucoup moins la lumière infrarouge que le blanc.

Le capteur infrarouge peut aussi être utilisé en capteur de distance en mesurant l’angle avec lequel le rayon réfléchi arrive sur le récepteur. En fonction de la distance entre l’émetteur et le récepteur, on peut en déduire la distance de l’obstacle.

Le robot est équipé de 9 capteurs ITR9909 (5 capteurs placés sur la partie arrondie à l’avant, 2 à l’arrière et 2 en dessous à l’avant de la boule coulissante). La mise en œuvre de ces capteurs diffère entre les capteurs horizontaux et ceux au sol.

Associé à un amplificateur, sa plage de détection est dans l’intervalle [7.5, 40] cm.

figure xx – capteur ITR9909 associé à un amplificateur

Sans amplificateur sa plage de détection est plus faible, elle est dans l’intervalle [0.3, 2] cm.

Figure xx – Courbe % de courant reçu par le collecteur en fonction de la distance d’un capteur ITR9909 sans amplification.

Pour en savoir plus sur ce type de capteur, cliquez ici pour le découvrir en vidéo, ou encore ici pour voir son usage dans l’automobile.

Léonard : Encore un dernier effort mon cher Watson. Réponds aux questions relatives à cette partie en complétant le document de synthèse.

6 – Epilogue
Léonard : Nous somme arrivés au terme de cette aventure.
Vous en savez maintenant un peu plus sur le contenu de la spécialité SI ou la série Sti2D.

J’espère que cela vous a plu.
A bientôt pour de nouvelles expériences.


Découverte d’une grande école : l’ENSIAME

Vidéo 1 : Présentation de l’école
Vidéo 2 : Projet mécatronique
Vidéo 3 : Intégrer l’Ensiame

Témoignage d’élève :
Victor : Bonjour, j’ai eu mon bac S spécialité Sciences de l’Ingénieur en 2019 au lycée Léonard de VINCI de SOISSONS. Après mon Bac j’ai intégré l’ENSIAME à Valenciennes. Durant les deux premières années à l’ENSIAME, on approfondit les connaissances que l’on avait abordées au lycée en première et terminale. C’est plus difficile car les cours vont beaucoup plus vite, les TP sont beaucoup moins guidés dans toutes les matières. Il faut être sérieux et être travailleur pour réussir sinon on décroche rapidement.
Je ne sais pas encore, parmi les trois spécialités de l’école : la mécanique énergétique, la mécatronique ou l’informatique industrielle, celle que je choisirai en troisième année car les trois sont intéressantes. J’ai encore un an pour y réfléchir. Si j’ai un conseil à vous donner, travaillez bien toutes les matières au lycée car cela vous aidera beaucoup dans le supérieur.

Sondage : Au terme de cette aventure vous vous considérez comme appartenant à quel club ?

Les Rebelles                                                          Les Ingénieux

See you later.

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