GéoRobot

Rapport final

L'entreprise

Mission

Cette entreprise est formée dans le cadre du cours GEL-21405 Design III du département de génie informatique et de génie électrique de l'Université Laval, au trimestre d'automne 1999. Sa mission est de réaliser le projet Cyclope. Ce projet consiste essentiellement à contrôler un robot, le RugWarrior, et de lui faire exécuter diverses tâches moyennant des spécifications.

Qualité distinctive

Comme le but de l'exercice consiste à contrôler un robot, la qualité distinctive retenue pour l'entreprise consiste à faire réaliser sur le sol par le robot des motifs géométriques bidimensionnels. Comme le robot doit être en mesure de transporter des pièces de 25 sous, les formes géométriques désirées seront constituées à partir de ces pièces.

Suite à l'établissement de cette qualité distinctive, un nom d'entreprise a été choisi de manière à refléter la mission ainsi que cette qualité. Ce nom est GéoRobot.

Ses membres

Les membres qui composent l'équipe dynamique de GéoRobot sont les suivants:

• Isabelle Bélanger-Basset
• Martin Boulay
• Carole Chabot-Roy
• Jean-Guy Chartrand
• François Gingras
• Mario Larouche
• Pierre Loiselle
• Simon A. Roy
• Dominic Tremblay

Parmi ceux-ci, deux sont étudiants au baccalauréat spécialisé en génie informatique et les autres au baccalauréat spécialisé en génie électrique.

Projet Cyclope

Introduction

Le projet CYCLOPE vise à contrôler un robot, le RugWarrior, et lui faire accomplir des tâches particulières, répondant à des spécifications. Celles-ci sont précisées dans un cahier de spécifications qui se résume comme suit.

Comme ce site doit être consulté par le public et conséquemment par des compagnies concurrentes, le détail des réalisations n'est pas livré de manière exhaustive. Le but est de conserver la propriété intellectuelle sur certains aspects stratégiques du dossier. Néanmoins, il est possible de se faire une idée suffisamment claire pour bien comprendre les réalisations dans leur globalité.

Une copie de ce site est disponible en format PDF pour en faciliter la consultation.

Spécifications sommaires

• Contrôler le robot par un poste de commande informatique, qui permet de piloter le robot et déteminer le moment approprié de recharge de ses batteries;
• réaliser l'acquisition vidéo permettant d'analyser l'encombrement de l'aire de déplacement, de localiser le robot et les pièces à déplacer;
• planifier une trajectoire de navigation de manière à éviter les obstacles et atteindre les pièces désirées;
• évaluer à tout instant l'état des batteries;
• prévoir un scénario ainsi qu'un dispositif de recharge des batteries;
• prévoir un organe de saisie de pièces métalliques qui permet le transport de ces dernières;
• réaliser les communications sans fil;
• intégrer tous ces éléments.

L'aire de déplacement du robot mesure 4m sur 4m, et est surplombée par une caméra assurant l'acquisition de l'image. L'interface personne-machine doit être conçu pour "monitorer" le comportement interne du robot (sa position, sa vitesse, son orientation par rapport à l'espace de travail et à ses cibles, la charge de sa batterie et une estimation de sa période d'autonomie, ... ) ainsi que son environnement visuel. Un programme informatique est chargé de prescrire des trajectoires optimales de déplacement compte tenu de l'achalandage spatial et commander l'exécution de tâches spécifiques.

L'enjeu du projet

Les défis sont multiples, tant au niveau de l'électronique, de l'informatique, du traitement de signal, des télécommunications, de l'électrotechnologie ainsi que de l'ergonomie des interfaces. Conscient également de l'enjeu "humain" de ce projet, l'objectif premier de l'entreprise est de livrer un produit fonctionnel qui répond aux spécifications de base. Le second objectif, qui complète ce premier, est d'ajouter à ce produit une qualité distinctive à la discrétion de l'entreprise. L'intégration étant la pierre angulaire de la démarche, la modestie et la prudence sont de mise dans l'élaboration des objectifs à atteindre. En conséquence, nous prenons garde de tomber dans le piège de l'optimisation qui outrepasse les exigences prescrites.

L' approche systémique est favorisée pour aborder l'intégration des sous-systèmes. Cette approche consiste à spécifier tout processus en 3 composantes: ses entrées (intrants ou input); ses sorties (extrants ou output); jointes par un processus de transformation. Cette décortication rigoureuse et méthodique de chaque sous-système en ses composantes élémentaires tend à minimiser les oublies qui rendent l'intégration laborieuse.

Figure 1 - Illustration du modèle systémique

Les commentaires de confrères et consoeurs de classe qui nous ont précédés constituent d'autre part une source précieuse de conseils que nous consultons tout au long du projet.

Déroulement du projet

Décomposition et répartition des tâches

Au départ, le projet est décomposé en 5 spécialités auxquelles sont affectées les membres, en fonction de leurs affinités et de leurs compétences. La figure suivante montre cette décomposition du projet en spécialités et les personnes affectées à chacune.

Figure 2 - Décomposition du projet et affectation des ressources

Cette répartition des tâches n'est pas immuable. Des membres aux compétences multiples peuvent également prêter leur collaboration aux membres affectés à d'autres spécialités. Hormis la dernière spécialité, la structure du présent rapport suit le découpage précédemment exprimé.

Échéanciers

Pour maintenir un bon suivi de projet, des rencontres impliquant tous les membres de l'équipe sont tenues régulièrement chaque semaine, immédiatement après le cours de Design. Des rencontres supplémentaires s'ajoutent également au besoin. L'échéancier est préparé de manière à respecter les dates critiques prévues dans le plan de cours.

Tableau 1 - Échéancier

Auto-évaluation

Cette sous-section trace un bilan du projet en terme de forces et faiblesses et fait un bilan des acquis. Elle sert également de conclusion au projet.

1. Forces et faiblesses

• Fonctionnalité

  Au moment de rédiger le rapport, nous n'avons pas encore réalisé le plein fonctionnement de la solution intégrée. Nous sommes toutefois en droit de reconnaître que la qualité distinctive visée dans ce projet, consistant à faire réaliser au robot des dispositions géométriques des pièces à manipuler, n'a pu implémentée.

• Focus sur les aspects essentiels

  Le premier point positif consiste à avoir suivi un cheminement sans tomber dans les dédales de l'optimisation. Nous recherchions au départ une solution qui se veut avant tout fonctionnelle et répondant aux spécifications de base énoncées.

• Utilisation d'un formulaire type

Au niveau de la gestion administrative du dossier, l'utilisation d'un formulaire type pour les rapports internes d'avancement a mis de l'homogénéïté dans la structure de l'information véhiculée dans l'entreprise, dans ses rapports internes et externes. Ce formulaire est rempli par chacune des spécialités selon les items suivants:

1. Spécialité
2. Objectifs
3. Potentiels et contraintes
4. Stratégie
5. Résultat
6. Planification
7. Autres informations utiles.

Voir le rapport intermédiaire du 18 octobre.

• Répartition efficiente des tâches

  La répartition retenue a capitalisé sur les forces de chacun des membres et assuré un rendement optimal de la compagnie.

2. Acquis

• Meilleure compréhension de la rédaction technique sur le Web
  • Le slogan "Dire beaucoup en peu de mots" est à propos dans les communications en général; cela l'est d'autant plus dans la rédaction sur le Web.
  • Le lecteur sur le Web cherche dans un premier temps à avoir une idée globale du contenu d'un site, et cherche à repérer le plus rapidement l'information pertinente.
  • Dans cette optique, l'usage judicieux d'illustrations couplé à une structure hiérarchique et une indentation appropriée optimisent le processus cognitif de repérage.
  • À l'encontre des propos de monsieur Jakob Nielsen (voir Références), l'utilisation de "frames" nous est apparue fort à propos.
    • Reconnaissant que ces propos sont fondés sur une argumentation raisonnable, nous n'adhérons pas d'emblée à ses conclusions qui prennent une coloration plutôt dogmatique: où sont les statistiques légitimes à toute démonstration scientifique qui permettent de qualifier d'erreur l'utilisation d'une technologie telle que les "frames"?
    • Partageant un point de vue plus nuancé, on peut considérer que les frames sont à la navigation sur le Web, ce que le multi-fenêtrage est aux environnements multi-tâches: il favorise (tout au moins dans notre cas) l'implémentation d'une table des matières en tout temps accessible.
    • Doit-on prôner l'abolition systématique des hydrocarbures sous prétexte du réchauffement global? Tout est peut-être dans la façon d'utiliser les technologies.
    • Les frames entrent dans les moeurs des usagers d'Internet et font déjà partie de ce patrimoine informatique émergeant.

Finalement, l'équipe tire un bilan positif de ce projet. Ce succès repose sur la pleine collaboration et l'initiative de chacun des membres de l'entreprise, lesquelles ont fait de ce projet, une expérience enrichissante et formatrice.

Recommandations

• Mettre une pause au milieu de la séance de 2 heures du cours, de manière à favoriser l'interaction interne et externe entre les membres des diverses équipes.
• Former les compagnies dès la première séance de cours, de manière à éviter de perdre une précieuse semaine de production.
• Maintenir la production régulière de rapports d'étape destiné au client (qui est ici le professeur). Ceux-ci permettent à l'entreprise de conserver un meilleur suivi et une bonne gestion du projet en courant.

Références

Projet Cyclope

Navigating Mobile Robots: Sensors and Technique , A. K. Peters, Ltd., Wellesley, 1996, MA (13 Mo) http://ftp.eecs.umich.edu/people/johannb/pos96rep.pdf.

NIELSON, Jakob. Top Ten Mistakes in Web Design, mai 1996, consulté le 22 octobre 1999. http://www.useit.com/alertbox/9605.html

GéoRobot - Rapports intermédiaires

Objectifs

Trois principaux objectifs sont reliés à la partie acquisition d'images :

• Le traitement de l'image pour identifier les différentes zones de l'image, c'est-à-dire le terrain d'action du robot, la zone de décharge des objets et finalement la zone de recharge du robot. Ensuite, il faut pouvoir identifier les objets, les obstacles et le robot ainsi que de déterminer leurs positions dans la zone principale.
• Le développement d'un algorithme pour diriger le robot de sa position courante vers un point donné, que ce soit la position de l'objet à ramasser, la zone de charge où l'endroit pour déposer les objets dans la zone de décharge. Le tout doit être fait en évitant les obstacles.
• Le développement d'une interface usager qui permettra de voir l'image captée par la caméra et d'offrir diverses commandes à l'usager pour contrôler le robot.

Potentiels et contraintes

Analyse de l'image

Potentiel

Pour ce qui est du traitement de l'image, nous disposons de la librairie MIL6.0 de Matrox, qui offre plusieurs possibilités pour l'analyse de l'image.

Contraintes

• L'éclairage de la zone n'est pas constant dû au fait que la pièce dans laquelle se trouve la zone de test ne possède pas de stores aux fenêtres, l'éclairage varie donc en fonction de l'ensoleillement. Cela rend l'analyse très difficile, car les paramètres de l'image varie beaucoup d'une journée à l'autre.
• La grosseur des objets à ramasser (pièces de 0.25$) est très petite et donc difficile à distinguer lorsque l'objet est très loin dans l'image. De plus, il est difficile de trouver des paramètres constants pour l'analyse de ces objets dans l'image puisqu'un 0.25$ en avant plan est de la même grosseur que les marqueurs sur le plancher qui se trouvent en arrière plan.
• Les lignes de la zone d'action du robot sont difficiles à distinguer dans l'image lorsqu'on essaie de la binarisée, la couleur du plancher n'aide pas non plus. On peut difficilement trouver une valeur de " threshold " pour déterminer quels pixels seront blancs et lesquels seront noirs.

Algorithme de déplacement du robot

Contraintes

• La principale contrainte que l'on retrouve dans cette partie est le fait que le robot est très imprécis. Il est difficile de le guider au centimètre et au degré près. De plus, il est également difficile de déterminer la position exacte du robot, au centimètre près, dans l'image.
• Il faut être en mesure de déterminer l'angle du robot dans l'image pour pouvoir positionner l'électro-aimant au dessus de la pièce de monnaie.

Interface usager

Potentiel

Plusieurs possibilités s'offrent à nous pour l'interface usager. L'utilisation de MFC facilite le design de plusieurs composantes de l'interface telles que les boîtes de dialogue qui permettent aisément d'entrer tous les paramètres désirés. L'utilisation des MFC permet donc de créer un environnement convivial pour l'utilisateur.

Contraintes

• Les MFC sont peu connues par les membres de l'équipe.
• Cette partie du projet étant réalisée en dernier (le but premier étant de faire fonctionner le projet), le manque de temps limite les possibilités de ce qu'on peut réaliser au niveau de l'interface.

Solution

La solution élaborée comporte 3 composantes : l'analyse de l'image, l'algorithme de déplacement du robot, ainsi que l'interface usager.

Analyse de l'image

1- Identification du terrain

Tout d'abord, il fallait identifier le terrain d'action du robot dans l'image. Pour ce faire, nous avons transformé l'image originale en appliquant une LUT qui performe une détection des " edge " dans l'image. Cela permet de bien séparer les lignes du terrain du reste de l'image. Par la suite, nous employons une des fonctions de la librairie MIL qui s'appelle MmeasFindMarker() qui permet de retrouver des " stripes " dans une image selon les paramètres spécifiques à celles-ci que nous avons définis.

La caméra suivante est utilisée pour l'acquisition d'images.

Figure 1 - Caméra dédiée à l'acquisition d'images

2- Calibrer l'image

Une fois le terrain trouvé, il faut calibrer l'image pour contrecarrer l'effet de perspective causé par la caméra. Pour ce faire, il suffit d'utiliser la fonction McalTransformImage() en ayant préalablement spécifier certains paramètres pour la calibration. Ensuite, une fois le modèle de calibration établi, on peut convertir les positions de pixels à centimètres et vice-versa.

3- Identification des objets

Par la suite, il faut identifier les objets dans l'image. Pour ce faire on utilise des fonctions de " blob analysis " disponibles dans la librairie. Il a cependant fallu diviser l'image en quatre parties pour trouver les objets, car comme mentionner plus tôt une pièce de monnaie en arrière plan est beaucoup plus petite qu'une pièce de monnaie en avant plan. Il y a un effet négatif à tout cela, un objet placé directement sur la ligne de coupure de chacune des parties risque de ne pas être reconnue. Heureusement, ce cas n'a que de très faibles possibilités de se réaliser.

Ce problème pourrait se corriger relativement facilement, mais le manque de temps nous contraint à poser des limites sur les capacités du projet. Tous les objets qui auraient pu être trouvés en dehors de la zone de test sont automatiquement éliminés.

4- Identification des obstacles

Ensuite, il faut identifier les obstacles. Cela est relativement simple une fois que nous nous sommes habitués au " blob analysis " que nous avons eu l'occasion d'utiliser lors de l'identification des objets. Le problème qui se présente ici est le fait que les obstacles n'ont pas nécessairement une forme régulière.

On retrouve facilement les obstacles dans l'image, mais pour rendre les choses plus faciles, on ne fait que délimiter les objets par un rectangle qui les contient complètement. Cela rend l'algorithme de déplacement du robot beaucoup plus simple et réduit également l'espace mémoire requis pour emmagasiner la position de l'obstacle. Tous les obstacles qui auraient pu être trouvés en dehors de la zone de test sont automatiquement éliminés.

Figure 2 - Exemple de boîte délimitant un obstacle

5- Identification du robot

Finalement, il faut identifier le robot. Cela semble simple à première vue en utilisant du " pattern matching ", mais ce n'est pas aussi facile que cela en à l'air. Tout d'abord le fait que le robot ait un fil pour l'alimentation cause beaucoup de problème du point de vue de la reconnaissance des objets et obstacles. Pour résoudre ce problème, nous analysons l'image une première fois pour trouver les zones, objets et obstacles, puis par la suite, nous plaçons le robot dans l'image.

L'autre problème est que le robot est transparent et possède trois dimensions cela rend sa reconnaissance dans l'image plus difficile, puisque lors de la calibration le robot devient déformé dû à sa troisième dimension. De plus, comme le robot est circulaire, on ne peut trouver l'angle selon lequel il est placé dans l'image.

Bref, comme solution à tous ces problèmes, il suffit de placer une flèche d'une bonne dimension au dessus du robot. Celle-ci nous permet donc de déterminer l'angle du robot dans l'image sans problème et puisque son épaisseur est négligeable la calibration ne la déforme pas, rendant ainsi possible sa détection dans n'importe quelle partie de l'image

.

Algorithme de déplacement du robot

1- Division du terrain

Tout d'abord, nous avons divisé la zone en carrés de 25cm chacun qui sont représentés dans une matrice. La matrice est initialisée avec des '1' partout. Ensuite, nous plaçons des '0' dans tous les carrés inclus par chacune des boîtes délimitant les obstacles.

 

Figure 3 - Division de la zone de test et matrice utilisée dans l'algorithme

Cette division implique une certaine restriction sur la distance minimale entre les objets et les obstacles. En effet, chaque objet doit être au minimum à 40 cm des boîtes délimitant les obstacles. Cette contrainte pourrait être diminuée de beaucoup, mais encore une fois le temps nous force à établir des limites au projet.

Figure 4 - Contrainte sur la distance entre les objets et les obstacles

 

2- Détermination du point de départ et de la destination

Une fois la matrice remplie, on détermine le carré dans lequel se trouve l'objet et le carré de destination. On fait un scan vertical ou horizontal de la matrice pour déterminer le chemin que doit prendre le robot. - Pour faire un scan des rangées, on vérifie tout d'abord si les carrés adjacents au robot sont disponibles, si oui on met un '1' à l'index correspondant dans un vecteur (START_VECTOR).

Même si des carrés sont disponibles dans la même rangée, mais qu'il y a un obstacles entre ces carrés et le robot, on place un '0' dans le vecteur à ces positions de même qu'aux endroits où il y a un obstacle. Ensuite, si le centre du robot est dans la partie inférieure du carré et que le robot doit aller vers le haut, on vérifie si la rangée du dessous est libre en faisant un ET logique avec le vecteur que l'on vient de trouver et celui de la matrice qui correspond à cette rangée. Cela est fait, car vu la grosseur du robot, celui-ci nécessite un minimum de deux carrés de libre pour se déplacer.

Finalement, on fait un ET logique avec toutes les rangées supérieures à celle où est le robot (les rangées inférieures si le robot va vers le bas) jusqu'à ce qu'on atteigne soit la rangée du carré de destination, soit la dernière rangée de la matrice.

3- Détermination de la trajectoire

Une fois le scan terminé, on détermine dans quelle colonne le robot dispose du plus grand nombre de carrés libres. Le robot est ensuite dirigé dans la bonne colonne et monte au carré maximum qui vient d'être trouvé. Le même algorithme s'applique pour les colonnes.

Le robot se déplace en exécutant des " L ". On appelle la fonction de scan tant que le robot n'est pas dans même le carré que le carré de destination. La fonction de scan est appelée en alternant les scan : une fois on fait un scan des rangées, ensuite un scan des colonnes.

Puisqu'il est difficile de déterminer la position exacte, au centimètre près, lorsque le robot est très près de l'objet on peut parfois trouver que l'objet est derrière l'électro-aimant alors qu'il est en fait devant. Pour résoudre ce problème d'imprécision lorsque l'on trouve que le robot est dans le même carré que la pièce on fait reculer le robot automatiquement d'un carré (qui est libre puisque le robot en arrive), on active l'électro-aimant et on fait tourner le robot pour qu'il soit aligner sur la pièce et on le fait avancer de la distance calculée. On demande à l'usager si le robot a réussi à ramasser l'objet : si oui, il va le déposer à l'endroit prévu dans la zone de décharge; sinon, l'usager doit guider manuellement le robot vers la pièce. Si le robot était plus précis, le mode manuel ne serait probablement pas nécessaire.

 

Interface usager

L'interface personne-machine permet à l'utilisateur de contrôler directement le robot en lui envoyant des commandes pour avancer, reculer, tourner ou encore pour contrôler l'électro-aimant. Comme illustré à la figure suivante, elle offre des boutons de contrôle pour identifier les objets, les zones, les obstacles et le robot, ainsi que des boutons pour que le robot aille automatiquement ramasser l'objet le plus près de lui. Par contre, vu l'imprécision du robot, s'il ne réussi pas à ramasser l'objet, l'usager doit guider lui-même le robot. On peut également tracer les zones, les objets et les carrés délimitant les obstacles sur l'image.

 

Figure 3 - Interface personne machine élaboré

 

1- Boutons d'initialisation

Bouton 1	Ce bouton est le bouton de départ. Il permet l'affichage de l'image dans l'écran. De plus, il permet de faire l'analyse de l'image pour trouver les zones, les obstacles et les objets. Tant que ce bouton n'a pas été appuyé, les autres boutons ne feront aucune action.
Bouton 2	Ce bouton permet d'identifier le robot dans l'image. Une fois que l'initialisation à été faite (bouton 1) , on place le robot et la station de recharge dans l'image et on appuie sur ce bouton pour identifier la position et l'angle du robot. Cela n'est pas fait lors de l'initialisation, car le fil de l'alimentation cause des problèmes lors de l'analyse de l'image.
Bouton 3	Ce bouton commande au robot d'aller ramasser l'objet le plus près de lui.
Bouton 4	Ce bouton permet d'aller déposer l'objet que le robot à ramasser dans la zone de décharge.

 

2- Boutons de dessin

Bouton 1	Il permet d'effacer tous les dessins dans l'image.
Bouton 2	Il permet de tracer en vert la zone de décharge dans l'image, comme on peut le voir un sur l'image de l'interface.
Bouton 3	Il permet de tracer en rouge la zone de test dans l'image, comme on peut le voir un sur l'image de l'interface.
Bouton 4	Il permet de tracer en bleu la zone de recharge dans l'image, comme on peut le voir un sur l'image de l'interface.
Bouton 5	Il permet de tracer en rouge la grille utilisée dans l'algorithme de déplacement du robot.
Bouton 6	Il permet de tracer et de numéroter en cyan les carrés délimitant les obstacles, comme on peut le voir un sur l'image de l'interface.
Bouton 7	Il permet de numéroter en noir les objets dans l'images, comme on peut le voir un sur l'image de l'interface.
Bouton 8	Il actionne une boîte de dialogue permettant d'éliminer certains objets qui ont été mal identifiés ou ceux que l'on ne désire pas ramasser.

 

3- Boutons de contrôle du robot

Bouton 1	Ce bouton permet d'actionner l'électro-aimant du robot.
Bouton 2	Ce bouton permet de désactiver l'électro-aimant du robot.
Bouton 3	Ce bouton force le robot à aller à la zone de recharge et s'occupe d'actionner le mécanisme de recharge.
Bouton 4	Ce bouton fait apparaître une boîte de dialogue permettant de donner une distance en centimètres à parcourir par le robot. Si la distance est positive, le robot avance, si elle est négative, le robot recule. La distance maximale est de 100cm dans les deux directions, cela est dû à l'imprécision du robot.
Bouton 5	Ce bouton fait apparaître une boîte de dialogue permettant de donner un angle en degré selon lequel le robot doit tourner. Si l'angle est positif, le robot tourne dans le sens anti-horaire, si il est négatif, le robot tourne dans le sens horaire. L'angle maximum est de 180 degrés dans les deux directions.

Évaluation des solutions

Points forts du projet

• L'algorithme de déplacement du robot, bien que peu rapide, est simple et efficace.
• On peut identifier à peut près n'importe quel type d'obstacles de couleurs variées (tant que la couleur de l'obstacle est assez uniforme pour ne pas confondre des objets dans l'obstacle). Ils peuvent être de forme variée avec des cavités à l'intérieur.
• On identifie les vrais objets à 99.8% (les cas qui ne sont pas trouvés sont souvent dû à un mauvais éclairage). Parfois, certains objets qui ne sont pas réellement présent peuvent être identifiés, surtout sur les obstacles, cela est dû encore une fois au mauvais éclairage. Heureusement, on peut facilement éliminer ces objets grâce à une fonction fournie dans l'interface.
• On retrouve le robot dans l'image assez facilement. La première fois que l'on identifie le robot le temps d'analyse est plus long (environ 15 secondes), mais les analyses subséquentes sont beaucoup moins longues(environ 4 secondes). Le temps d'analyse semble long, mais cela est dû au fait qu'il faut trouvé l'angle du robot. Le temps d'analyse est réduit par le fait qu'on cherche le robot dans la région avoisinante de sa position précédente, limitant ainsi la région de recherche.
• L'interface personne machine est relativement simple d'utilisation.

Limitations

• Les objets doivent être placés à un minimum de 40cm des carrés délimitant les obstacles, ainsi que de 25 cm des lignes.
• Si le robot ne réussit pas à ramasser l'objet, l'usager doit le guider en mode manuel.
• L'analyse de l'image peut parfois voir certain objets qui ne sont pas vraiment des objets, mais plutôt des reflets causé par le soleil sur le planché, l'usager peut éliminer ces objets grâce à l'interface fournie.
• Le robot met un temps assez long pour se déplacer d'un point à un autre dû au fait qu'il doit recorriger sa position et son angle à chaque appel de commande. Cela nécessite une analyse de l'image entre chaque commande pour retrouver le robot, et si la correction envoyée n'est pas exécutée de façon convenable, on continue d'envoyer des corrections tant que le robot n'est pas dans la position désirée, et vu l'imprécision du robot, il faut souvent envoyer des corrections à sa position, mais surtout corriger l'angle dans lequel il se trouve.

Améliorations possibles

Voici une liste d'options intéressantes et simples à réaliser susceptibles d'améliorer la solution développée au niveau de l'interface personne système :

• pouvoir choisir quel objet le robot va ramasser.
• pouvoir choisir la forme géométrique selon laquelle on veut disposer les objets, ou encore de définir l'endroit ou chaque objet sera disposé.
• pouvoir dessiner les objets, obstacles ou zones sur l'image et de simplement d'appuyer une seconde fois sur le même bouton pour faire disparaître seulement le dessin désiré et non d'appuyer sur le bouton CLEAR et d'avoir à tout redessiner.
• pouvoir retracer les objets au fur et à mesure que l'on utilise le bouton DELETE_OBJECT, pour voir les objets restants.
• pouvoir contrôler le robot même si l'initialisation initiale n'a pas été faite.

Conclusion

Bien que l'analyse d'image semble simple grâce aux nombreuses fonctions fournies dans la librairie MIL6.0, ce n'est pas si facile. Il est important de bien comprendre le fonctionnement de ces fonctions. On a également dû passer beaucoup de temps pour déterminer les bons paramètres à utiliser pour chacune de ces fonctions.

De même, l'algorithme de déplacement nécessite beaucoup d'efforts, notre algorithme est loin d'être optimal, mais ce n'était pas le but de notre projet. Cette partie du projet aurait due être à part de l'acquisition d'images puisqu'elle requiert beaucoup de temps.

Finalement, l'interface usager aurait pu offrir beaucoup plus pour l'usager, mais encore une fois beaucoup de temps a été mis pour faire fonctionner le projet, c'est-à-dire l'analyse d'images et l'algorithme de déplacement du robot. Cela a eu pour résultat que peu de temps restait pour l'interface, limitant quelque peu les options qui auraient pu être mises à la disponibilité de l'usager.

Bref, cette partie du projet fut très longue à développer, mais les résultats obtenus sont très satisfaisants. L'analyse de l'image permet d'identifier très bien tous les obstacles et objets partout dans la zone de test, ainsi que de trouver la délimitation de chacune des zones. On détermine la position des objets et obstacles au centimètre près dans l'image. Le position et l'angle du robot sont aussi déterminés de façon relativement précise. L'algorithme de déplacement du robot n'est pas optimal, mais il est simple d'implémentation et permet au robot de se déplacer sans heurter d'obstacles. Finalement, l'interface usager est simple d'utilisation et tout de même très bien pour le peu de temps dont nous disposions pour la réaliser.

Objectifs

Cette section vise à réaliser les 3 objectifs suivants:

• élaborer un module de saisie dédié au soulèvement et au transport de pièces métalliques;
• développer un module de mesure de la consommation énergétique;
• développer un dispositif de recharge des batteries.

Potentiels et contraintes

1. Module de saisie

• L'utilisation d'un électro-aimant facilite grandement le développement de ce module
• Cette technologie est simple et connue
• Le champ magnétique important associé à ce dernier peut toutefois nuire au processus de communication
• Opter pour un bras immobile permet de minimiser la consommation énergétique
• Comme l'électro-aimant demeure immobile, la distance entre la pièce à saisir et ce dernier, doit être faible, afin de minimiser le champ developpé par l'électro-aimant. Dans cette optique, le bras requiert un montage rigide et ajustable.
• L'électro-aimant requiert une consommation électrique relativement élevée pendant la saisie et le transport des pièces.

2. Module d'évaluation de la charge et dispositif de recharge

• Il est sur le marché un crcuit intégré pouvant être utilisé pour l'évaluation de l'état des batteries
• L'électronique de support est simple à réaliser.
• Module de recharge plus difficile à réaliser. Il faut tenir compte de la présence de l'antenne, de l'imprécision du positionnement et du type de contact à utiliser

Solutions

Les solutions developpées ici le sont dans un contexte "maître-esclave", tel que mentionné à la section Programmation. L'ordinateur initie tous les dialogues et prélève sur les divers périphériques l'information désirée.

Les solutions privilégiées sont celles qui minimisent:

• la production de champs magnétiques nuisibles à la communication;
• la consommation électrique;
• le poids total du robot;
• les mouvements mécaniques du robot

Elles doivent d'autres part:

• être robustes et flexibles face à l'imprécision du positionnement du robot;
• tirer parti de technologies simples et connues;
• être compatibles avec les solutions retenues pour les autres sous-systèmes.

On remarquera que la minimisation des mouvements du robot ou la minimisation de son poids influencent du même coup la consommation énergétique.

Le développement et l'implantation de ce module ont été réalisés en premier afin de fournir, aux équipes chargées de l'acquisition vidéo et des télécommunicaitions, le nécessaire pour en permettre la reconnaissance visuelle et en évaluer l'interférence possible avec les communications.

La solution retenue utilise un bras immobile auquel est fixé un électro-aimant. Dans cette stratégie, seule la pièce (à saisir) se déplace lors de la collecte et la décharge sous l'action du champ magnétique.Ce bras est ajustable verticalement pour faciliter le réglagle de la hauteur de l'électro-aimant par rapport au niveau du sol.

Calcul du champ magnétique

• Dans le but de réduire l'intensité de ce champ, la distance de soulèvement est réduite au minimum.
• Cette distance critique de l'ordre de 4 mm (soit 2 mm au dessus de la pièce) impose une fixation rigide du bras au robot.
• L'intensité du champ est calculée de manière à pouvoir soulever et maintenir une pièce de 15g.
• Le calcul est effectué au moyen des équations suivantes: W = F.d = m.g.d = 0.5 L I².

Description des composantes

• L'électro-aimant est formé d'un noyau cylindrique de fer et de magnétite avec une concentration de 80 %, de 15mm de diamètre, sur une hauteur de 15 mm.
• Le bobinage est composé environ 800 enroulements de fil (à 20 tours près).
• L'électro-aimant est tenu en place au moyen d'un cadre en aluminium formé de tubes de section carrée de 5 mm. Ce cadre, peint en noir, est fixé sur les tiges de support de la carte d'expansion au moyen de vis.
• Le dispositif de saisie est contrôlé par l'interface usager qui envoie une commande au robot. Cette commande écrit un bit de saisie/dépôt sur le port digital "D0" en sortie. Un relais TTL est branché sur cette sortie, permettant de contrôler l'alimentation en puissance de l'électro-aimant.
• Une bande circulaire d'acier, placé à l'horisontale, sert de contact pour la recharge des batteries sur le robot.

Impact sur l'équilibre du robot

• Un léger déséquilibre a été observé au moment des premiers essais, en raison du poids de cette nouvelle structure, excentrique par rapport aux roues du robot. Un contre-poids a été ajouté temporairement au cours des essais, en attendant l'installation finale des autres sous-systèmes, lesquels en plus de remplir leurs tâches agiront comme contre-poids.

Impact sur les autres sous-systèmes

• La conception du bras du robot a une incidence sur le design des autres sous-systèmes. En effet, l'acquisition vidéo doit être en mesure de reconnaître la position du bras et de son organe de saisie (l'électro-aimant), de manière à positionner correctement ce dernier au dessus ou dans un voisinage raisonnable de la pièce à collecter. Ainsi les données géométriques constitutives du bras sont prises en compte dans le processus global de lecture et de commande de la saisie de pièces.

2- Solution pour la mesure de la consommation énergétique

• Le second module est celui de la mesure de la consommation énergétique du robot. L'analyse de ce module a permi de tracer le diagramme en blocs présenté à la figure qui suit.

Figure 1 - Diagramme en blocs du module d’évaluation de la consommation énergétique

Figure 2 - Plan du module d'évaluation de la consommation énergétique

• Un circuit intégré existe sur le marché, réalisant le travail d'évaluation de l'état des batteries. Il permet de suivre l ’état des batteries lors de la charge et de la décharge. De plus, il autorise un affichage local avec LED ou un accès par programmation.
• La charge /décharge des batteries est réalisée au moyen d'un compteur interne, incorporé dans le circuit intégré. Ce dernier s'incrémente lors de la charge et décrémente lors de la décharge. Une sortie "EMPTY" nous informe s'il ne reste pas plus de 20% de la charge.
• L'affichage 5 LEDs, pour une précision de 20%, et l'utilisation de la fonction "EMPTY" ont été retenus pour tenir compte des délais de réalisation. Ainsi lorsque la décharge atteint 20%, l'information binaire est envoyée sur le port DI/O "A0" du robot et est lue par l'interface opérateur.
• Si l'état du bit est à 1, l'interface opérateur commande au robot de retourner à la station de recharge.

3- Solution pour la recharge des batteries

• Le positionnement et l'orientation du robot sont des facteurs importants dans le design d'un scénario et d'un dispositif de recharge du robot. La solution doit tenir compte de l'imprécision du positionnement et de l'orientation du robot dans l'aire de recharge. Le dispositif de recharge élaboré est montré à la figure suivante.

Figure 3 - Vue d'ensemble du dispositif de recharge

• La ligne blanche au sol délimite une aire de recharge de 80x80cm. La flèche dominante sur cette illustration sert à indiquer l'orientation du robot lors de l'acquisition vidéo.
• Le module de recharge est constitué de 2 bras coulissant sur des tiges métalliques horizontales, sous l'action de petits moteurs électriques.
• Ces bras, écartées au départ de la largeur de l'aire de recharge, se déplacent vers le robot et viennent se buter contre une structure métallique circulaire (en anneau) montée au sommet du robot.
• Ainsi, lorsque le robot se trouve dans l'aire de recharge, l'interface opérateur envoie une commande via le port parallèle à la station de recharge, qui active le déplacement des bras.
• Lorsque les bras sont en contact avec le montage pour la recharge, installé sur le robot, la recharge des batteries débute.
• Au moment du contact, des senseurs (formés de plaques métalliques sur suspension) stoppent les moteurs et gardent les bras en contact avec l'anneau.
• Ces plaques métalliques servent également à amener la charge électrique au robot. Une fois la recharge terminée, les bras s'écartent au maximum, permettant au robot de quitter sans contrainte l'aire de recharge.
• L'anneau de charge est formé par une bande circulaire en acier. Il se prête à un chargement des piles indépendamment de l'orientation du robot. Le détail du montage apparaît sur les figures suivantes.

Figure 4 - Détails du dispositif de recharge

• La photo de gauche nous montre bien le senseur stoppant les moteurs, qui est formé d'une mince feuille métallique. Le support de l'ensemble du module de recharge est fait de contreplaqué.
• L'installation est d'ailleurs ajustable en hauteur au moyen des réglages latéraux montrés sur la photo de droite. Il est ajusté de manière à ce que la surface des senseurs sur les palettes percutent l'anneau de charge.

Évaluation des solutions

Atteinte des objectifs

Les objectifs de base, étant la saisie d'objets métalliques ainsi que la gestion de l'énergie des batteries, ont été atteints quoique pas de façon optimale.

Principales faiblesses

Les faiblesses résident dans la consommation élevée d'énergie lors du transport des pièces. Par contre, la gestion d'énergie permet d'éviter que le robot ne tombe en panne suite à une utilisation intense de l'électro-aimant.

Impact sur les communications

La communication n'est perturbée que pendant les moments de variations du champ magnétique, c'est à dire lors de la saisie et du dépôt des pièces. Comme les commandes envoyées au robot se font en dehors de ces périodes, il n'y a donc pas d'interférences lors de la communication.

Contraintes mécaniques

L'arrêt des bras de recharge, qui viennent percuter l'anneau de recharge à la partie supérieure de robot, peut engendrer des problèmes à long terme, car la secousse provoquée par l'impact est relativement importante. Il serait souhaitable d'utiliser un controle PI afin de réduire la vitesse des bras à l'approche du robot. Par contre ceci aurait demandé un développement considérable en fonction du temps alloué.

Consommation énergétique

L'énergie moyenne consommée est difficilement calculable car elle est en étroite relation avec le nombre de pièces tranportées. En effet, la consommation élevée de l'électro-aimant a un effet déterminant sur la durée d'utilisation des batteries sur une seule recharge. Une estimation réaliste du travail que peut faire le robot à partir d'une charge complète des batteries est sensiblement équivalente au transport d'environ 20 pièces sur une distance moyenne de 2 mètres. Évidemment, cet estimé est tributaire du nombre d'obstacles pouvant perturber le tracé rectiligne de la trajectoire.

Délai de recharge des piles

Le délai de recharge est directement dépendant du type de pile utilisée. Ainsi pour des piles NiCad de 800 mA/hr il faudrait 4 heures de recharge à 200 mA/hr. Car il faut éviter de faire chauffer les batteries en rechargeant trop rapidement, ceci détruit l'électrolyte. Dans le cas de batteries à recharge rapide, la recharge peut être réalisée en une heure.

Optimisations

• L'utilisation des facilités de programmation du circuit intégré aurait grandement amélioré la gestion de l'énergie.
  • À titre d'exemple, la lecture du compteur du circuit intégré aurait été une stratégie à exploiter.
  • Car en plus d'une meilleure gestion de l'energie, elle aurait permis un affichage plus précis.
  • Toutefois, le montage plus complexe qui en découle, n'aurait pu être réalisé dans le cadre limité du présent projet.

• L'alimentation de la fonction communication est indépendante de celle relative au déplacement du robot, et il n'y a pas de gestion d'énergie relative aux communications. Le temps l'ayant permis, l'équipe aurait monté un filtrage adéquat pour utiliser une source d'alimentation commune pour ces 2 fonctions.

• Pour minimiser la consommation énergétique, on peut imaginer d'utiliser le principe de l'électro-aimant qui combat le champ d'un aimant permanent..
  • L'idée est d'exploiter le champ d'un aimant permanent, que l'on vient neutraliser au besoin lors du positionnement du bras du robot ou lors de la décharge.
  • Cette neutralisation est faite au moyen d'un bobinage enroulé autour de l'aimant permanent.
  • L'avantage d'une telle approche est évidemment de réduire la consommation électrique requise pour le soulèvement et le transport des pièces.
  • Par contre, la durée de vie de cet aimant permanent est grandement réduite par ce processus de magnétisation-démagnétisation.

• S'il fallait recommencer le projet à zéro avec la présente expérience, la démarche suivie serait la même; à la différence qu'il y aurait un peu plus d'ingénierie simultanée afin d'aller chercher les idées de chacun des membres de la compagnie sur des questions techniques pointues. La période allouée pour la réalisation du projet étant restreinte, il eut été difficile de mettre en oeuvre une telle démarche dans une optique d'optimisation.

Objectifs

La programmation du robot implique la réalisation des objectifs suivants:

• Concevoir un programme en interactive C (IC) permettant le contrôle du robot.
• Le programme doit être capable de communiquer avec un ordinateur par son port série en utilisant le protocole RS-232.
• Le programme doit implanter des fonctions permettant au robot d’avancer, reculer, tourner, activer et désactiver l’électroaimant, connaître l’état de l’alimentation, détecter les obstacles rencontrés. Ces fonctions doivent donner des résultats avec la meilleure précision possible.
• Développer une classe en C++ interfacant la communication série de l’ordinateur. Les fonctions de cette classe seront utilisées par les responsables de l’imagerie et de l’algorithme de positionnement pour communiquer avec le robot.
• Établir un protocole de communication avec la collaboration de l’équipe du traitement de l’image. Ce protocole doit être efficace et permettre de minimiser et détecter les erreurs de transmission.

Potentiels et contraintes

Les potentiels et contraintes dans la réalisation de ces objectifs s'énoncent comme suit:

• Les possibilités de calcul et de mémoire du robot sont limité.
• Les ports d’entrée et de sortie du robot sont limités.
• L’imprécision des déplacements du robot.
• Le protocole RS-232 et les communications série nous sont inconnues.
• Intéressantes possibilités de programme « multithread » avec le robot.
• Aucune expérience dans la programmation de micro-controleur.
• Peu d’expérience avec les MFC pour la programmation du port série.

Solution

La solution développée capitalise sur les points suivants:

• la fonctionnalité
• la rapidité d'implémentation
• l'utilisation des ressources logicielles disponibles (librairie C++)

Elle se décrit en 6 points.

1. Adoption d'une stratégie "Maître-esclave"

L'ordinateur prend l'initiative de contrôler la communication. Le robot attend d'être interrogé par l'ordinateur, pour en connaître l'état à tout instant et lui transmettre les ordres à exécuter.

2. Fonction avance()

Elle permet d’avancer et de reculer en ligne droite selon une vitesse et une distance. La vitesse du robot est constante et la fonction reçoit un paramètre de distance en centimètre (± 0 à 100). On obtient une précision de quelques centimètres pers. Si un des senseurs du robot est activé (collision avec un objet), le robot s’arrête et attend la prochaine commande.

3. Fonction tourne()

Elle permet de tourner sur place dans le sens horaire et anti-horaire selon le paramètre qu’elle reçoit, soit ± 0 à 360 degrés. On obtient une précision raisonnable.

4. Fonction electroaimant()

Elle reçoit « 1 » en paramètre pour activer l’électroaimant, et « 0 » pour désactiver. Cette fonction utilise le port D du robot. Elle a été développée avec les responsables de l’électrotechnique.

5. Protocole de communication

• Le protocole de communication est établi avec les responsables du traitement de l’image.
• L’envoi de la commande se fait sur 3 octets.
  • l'octet 1 : contient la commande à exécuter par le robot.
  • l'octet 2 : contient le paramètre de la commande.
  • l'octet 3 : contient un « checksum » permettant de valider la commande reçue par le robot.
• Quand le robot reçoit une commande, il donne toujours une réponse sur 1 octet. Il répond « 1 » quand la commande qu’il reçoit est validé et exécutée et « 0 » quand une erreur est détectée.
• Dans le cas de la fonction recharge, il retourne « 0 » et « 1 » comme les autres fonctions sauf si le niveau d’énergie est à ~20%, dans ce cas il retourne « 3 » permettant ainsi à l’ordinateur de le diriger vers la station de recharge.

6. Communication série

Une classe en C++ GeoRobotCom a été développée et testée avec succès pour permettre la communication par le port série de l’ordinateur. Cette classe utilise les MFC et interface la classe CSerialPort. Elle contient seulement la fonction Commande(), qui prend en paramètre la commande à envoyer au robot, attend et retourne la réponse du robot.

Évaluation de la solution

Atteinte de l'objectif

L’objectif de départ a été atteint. Nous avons développé un programme pour le robot qui répond à toutes nos attentes de base. Un interface logicielle pour la communication série sur l’ordinateur a été conçu et testé et est fonctionnel pour le projet.

Principales faiblesses

Le robot ne s’arrête pas de lui même s’il rencontre un obstacle. Il ne peut savoir de lui même si les piles doivent être rechargé :il le fait sur commande de l’ordinateur. Pour ce faire, il aurait fallut développer les fonctions de façon « multithread ». Malheureusement le temps manquait pour réaliser cette fonctionnalité, qui aurait été intéressante, et pas trop difficile à implanter.

Délais de traitement

Le programme du robot s’exécute avec une assez grande rapidité. En fait, il ne s’exécute pas à sa pleine vitesse, car il attend les commandes résultant de la partie logicielle d’acquisition d’image qui est plus lente que la partie du robot.

Robustesse

Le programme du robot pourrait être plus robuste. Quand il reçoit des informations du port série alors qu’il ne s’y attends pas, il peut arriver que le programme devienne hors fonction, et que l’on doivent recharger le « pcode ».

Quantité de code

• La quantité de code pour la programmation du robot n’est pas très volumineuse. Le code est simple et très bien divisé en sous section pour permettre une compréhension rapide. Il est divisé selon les différentes fonctions qu’il peut exécuter. On peut facilement ajouter de nouvelles fonctions.
• Le protocole de communication peut permettre l’ajout de plus d’une centaines de fonctions supplémentaires. Le code de la communication série est plus compliqué et demande la compréhension du fonctionnement du port série. Il est très bien commenté.
• La classe d’interface qui a été développée est très facile d’utilisation : elle peut permettre à un débutant en C++ de communiquer via le port série. Elle est développée de façon spécifique projet et ne peut être utilisée pour la communication série en général. Il y a même un programme de test permettant de vérifier le bon fonctionnement de cette classe.

Améliorations possibles

• Recommencer le projet à zéro avec la présente expérience, nous procéderions de la même manière, sauf que l’on s’occuperait de la "communication série" un peu plus tôt, pour permettre à l’équipe de communication de tester leur module plus tôt. Cette partie du projet a été la plus laborieuse.
• L'ajout de fonctions « multithread » pourraient régler les principaux problèmes du robot et augmenter la robutesse de la solution.
• L'ajout d'autres fonctions concernant la communication série.
  

Objectif

Cette section vise à réaliser un lien de communication RF fiable à deux directions (full duplex) dont les entrées et les sorties sont compatibles avec le protocole RS-232.

 
Stratégies

1. Module transmetteur/récepteur intégré

Le choix d'un module transmetteur/récepteur intégré comporte l'avantage d'être peu dispendieux et offre une économie de temps appréciable comparée à la conception à neuf de circuits de modulation et de démodulation

2. Fréquence porteuse de 433,92 MHz

Une fréquence autour de 40 MHz est initialement visée. À cette fréquence, l'électronique des circuits est plus robuste et la longueur des antennes se situe dans des dimensions acceptables. Pour des raisons exposées dans la section des contraintes, ce choix est mis de côté et une porteuse de 433,92 MHz est retenue.

3. Modulation en amplitude (AM)

La modulation en amplitude (AM) est retenue car elle est plus facile à visualiser si des problèmes surviennent. Toutefois, avec les modules utilisés, le type de modulation importe peu, étant donné que ces derniers sont déjà tout monté et ne font que prendre une entrée et la moduler et vice-versa.

4. Module RTL-DATA-SAW

Le module choisi est le RTL-DATA-SAW de la compagnie ABACOM Technologies Inc.. Ce dernier est un " transceiver " qui peut moduler une entrée TTL (0-5 V) de 0 à 3 KHz par la modulation OOK (On Off Keying) à 433,92 MHz. Il peut aussi démoduler un signal identique provenant d’un autre module. La modulation OOK est en fait une modulation en amplitude (AM) avec des niveaux On (5 V) ou Off (0 V). . La puissance d’émission du module se situe autour de 9 mW, ce qui est suffisant pour les besoins du projet.

5. Conversion RS232 - TTL

Pour convertir les entrées du protocole RS-232 en TTL, et vice-versa, un circuit intégré de la compagnie MAXIM est choisi. Le MAX-232N convertit parfaitement des entrées du protocole RS-232 en TTL, de même que des entrées TTL en RS-232. Ses fonctions ont facilité la réalisation du circuit des modules de transmission/réception.

6. Alimentations indépendantes

L’alimentation des circuits s'effectue par des alimentations indépendantes. Ainsi l’intégration est beaucoup simplifiée et les batteries d’alimentation du robot sont moins exploitées. Chaque module a sa propre batterie 9 V. Pour fournir l’alimentation 5 V aux modules ABACOM nous avons utilisé des régulateurs L7805CV.

7. Antenne "quart d'onde"

Des antennes de type "quart d’onde" sont utilisées. Leur longueur d'onde de 17,2 cm est très satisfaisante.

 
Contraintes

1. Dimension du boîtier

• Visant une modulation aux alentours de 40 MHz, le premier module commandé est le MAX2450CEP de la compagnie MAXIM. Ce circuit intégré module et démodule en amplitude (AM) pour des porteuses de 35 à 80 MHz, en fonction de de l’alimentation de son oscillateur local.
• La dimension du boîtier de ce circuit intégré présente une contrainte: il n'est disponible qu’en modèle "surface mount" avec 0,025 po d’espacement entre les pattes, détail non spécifié dans la documentation sur le Web.
• Comme un adaptateur de QSOP 0,025 po à DIP ordinaire est introuvable et que les échéances sont considérablement avancées, le MAX2450CEP est mis de côté pour le modèle d’ABACOM ci haut spécifié.

2. Longueur des fils et soudure

• La deuxième contrainte concerne la longueur des fils porteurs du signal modulé et de la nécessité de soudures bien réalisées. L’utilisation des hautes fréquences (ici 433,92 MHZ) est plus exigeante. Pour limiter les réflexions entre le modulateur/démodulateur 433,92 MHz et l’antenne, les circuits ont été montés directement sur des plaques perforées (Vero Board).

3. L'électro-aimant

• À la relâche des pièces, ce dernier génère des perturbations magnétiques intenses autour des modules. Pour éviter toute perturbation des communications entre l'ordinateur et le robot lors de la décharge, une pause de l'ordre d'une seconde est introduite dans les communications.

4. Mode d’opération Full-duplex

• Probablement la plus grande contrainte est celle d'essayer d'appliquer la communication Full Duplex à nos modules dans lesquels le modulateur et le démodulateur fonctionnent à la même fréquence porteuse.

• Dans le protocole RS-232, lorsque le port de transmission se met en attente, il transmet un Stop bit. Ce Stop bit est de niveau logique 1, soit entre -5V et -25V pour le protocole RS-232, et 5V pour le TTL. Ainsi lorsque le lien Tx du port série du PC ou du robot se met en attente, le modulateur reçoit 5 V qu'il module et transmet sur l'antenne.
  • Ceci nuit à la réception par le lien Rx du même module. Nous avons réglé ce problème en inversant les signaux TTL avant la modulation et après la démodulation.
  • En utilisant des inverseurs TTL SN74S04, avec une réponse d'environ 12ns, les Stop bits deviennent alors un niveau 0 avant la modulation et redeviennent un 1 après la démodulation.
  • De cette façon le lien Tx ne gêne pas la démodulation du Rx à la réception d'un signal.

• Au cours de la période d'intégration, lorsque qu'un module émettait un signal par Tx, ce même signal se retrouvait sur le lien Rx et était inscrit dans un buffer. Pour ne pas nuire à la communication dans les deux sens, il aurait fallu bloquer la réception pendant l'émission du même module. Nous avons pensé utiliser le port E du Robot et du signal RTS du PC pour bloquer la réception, en entrant ces signaux dans une porte logique ET avec le signal de réception.

• Toutefois cette application s'est avérée infructueuse en pratique à cause des tensions minimales et maximales requises pour respecter la logique des entrées de la porte ET. Un 0 sortant du circuit intégré de MAXIM n'était pas assez pour bloquer le signal. Le mode de communication unidirectionnel a été retenue pour la démonstration finale du projet

Solution

Nous pouvons maintenant parfaitement communiquer entre deux ordinateurs par le biais de leur port série et de l'interface d'Hyper Terminal de Windows. Dans une telle communication le taux d'erreur est très faible et ne vaut pas la peine d'être considéré. Toutefois la dernière contrainte mentionnée ci-haut n'a pas été complètement surmontée. C'est notamment la seule qui nous a vraiment causé problème.

Pour la démonstration, avec l'équipe de programmation et de l'interface personne-machine, nous nous sommes préparés à communiquer uniquement du PC au Robot. Il nous faudrait un peu plus de temps pour réaliser la communication dans les deux directions.

Comme nous l'avons mentionné, nous savons parfaitement pourquoi ça ne fonctionne pas. Mais nous sommes limités dans le temps de réalisation et d'intégration. Malheureusement, si le blocage de la réception ne peut fonctionner dans les délais prévus, nous ne pourrons gérer la charge des batterie, partie qui fonctionne très bien.

La Figure 1 qui suit illustre de manière schématique les modules de transmission/réception qui ont été réalisés.

Figure 1 - Schéma bloc du lien de communication

Sur cette dernière, nous pouvons voir que le signal à transmettre (Tx), autant pour l'ordinateur que pour le robot, est converti du protocole RS-232 au TTL par le circuit intégré de MAXIM. Ce signal est ensuite inversé, c'est-à-dire que les 1 deviennent des 0 alors et vice-versa, pour ensuite être modulé en amplitude par le module ABACOM et finalement être transmis sur l'antenne. Sur la figure, nous pouvons très bien voir que la réception s'effectue exactement à l'inverse de la transmission.

Sur la figure 2, nous apercevons les versions finales des modules de transmission/réception qui sont reliés à l'ordinateur et au robot. Ils sont montés sur des plaques perforées.

Figure 2 - Illustration des modules de communication

Évaluation des solutions

• Les principaux objectifs de la section de télécommunication, consistant à recevoir un signal selon le protocole RS-232, de le moduler et finalement de le démoduler, sont atteints. Même si l'intégration avec la partie de la programmation n'est pas à ce stade complètement terminée, la communication entre deux ordinateurs pleinement fonctionnelle.
• Dans une telle communication, le taux d'erreur est très faible et ne vaut pas la peine d'être considéré.
• La dernière contrainte mentionnée plus haut n'a pas pu être complètement surmontée. C'est notamment la seule qui nous a vraiment causé problème.
• De plus, les modules se comportent très bien autour du robot lorsque ce dernier est en fonction, sauf pour la période de la relâche faite par l'électroaimant, tel que mentionné plus haut.
• La portée des modules est amplement suffisante pour les application de ce projet.
• La consommation des modules tourne autour de 4,5 mA en émission et de 2,5 mA en réception, ce qui est satisfaisant.
• La transmission ne comporte presque aucun délai, soit environ 50 ns, mesuré à l'oscilloscope, entre le signal transmis et reçu.
• Le poids de chaque module, incluant la petite antenne, est négligeable.
• Les objectifs de base
• Pour la démonstration finale, avec l'équipe de programmation et de l'interface personne-machine, nous nous sommes préparés pour communiquer uniquement du PC vers le Robot.

Optimisation

Pour l'atteinte complète des objectifs, les trois points suivants nécessitent une amélioration :

• l'intégration avec la programmation;
• l'immunité au bruit et
• l'optimisation de l'espace sur les montages des modules.

Intégration avec la programmation

Pour optimiser la communication bidirectionnelle, il faudrait travailler davantage sur le logiciel. Le problème consiste au fait que le programme va lire ce qu'il transmet en pensant que ça vient de l'autre terminal. Ce problème est inévitable en utilisant deux liens de communications à la même porteuse.

La solution envisageable consiste à effacer toutes les données lues pendant une période de transmission. Ainsi, le programme communiquerait dans une direction à la fois, sans gêner le déroulement des autres aspects du projet. Une telle statégie nécessite toutefois une période d'intégration plus substantielle.

Immunité au bruit

Dans le but de limiter la perturbation engendrée par le champs magnétique de l'électroaimant, nous pourrions monter le module relié au robot dans un boîtier d'aluminium. De cette façon, les perturbations causées par les moteurs et la relâche de l'électroaimant auraient un effet plus minime.

Optimisation de l'espace sur les montages des modules

La réfection des modules sur d'autres plaques perforées améliorerait grandement l'esthétique du montage. Comme nous avons travaillé avec une porteuse à haute fréquence, nous avons réalisé les montages sur des plaques perforées pour en vérifier promptement le fonctionnement. Les ajouts successifs de composantes au long du projet sans planification d'ensemble ont conduit à une organisation peu optimale. Ainsi, cette réfection des modules en optimiserait la disposition.

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