cole Polytechnique de Montral Dpartement de gnie lectrique

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École Polytechnique de MontréalDépartement de
génie électrique

• ELE3100 - Projets de génie électrique
• Robotique et informatique
• Cours no. 8 Électronique de contrôle pour robots
  mobiles

CoordonnateurRéjean Plamondon, ing. Ph.D.,
professeur titulaireDépartement de génie
électrique, section génie biomédical
(A.429.16)Courriel rejean.plamondon_at_polymtl.ca
Chargé de cours et de laboratoireJulien
Beaudry, étudiant M.Sc.A. (A.321)Courriel
julien.beaudry_at_polymtl.ca Chargé de
laboratoireMoussa Djioua, étudiant Ph.D.
(A.408)Courriel moussa.djioua_at_polymtl.ca
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• ELE3100, Projets de génie électrique
• électronique de contrôle pour robots mobiles

Plan du cours

• Problématique
• Principales architectures de contrôle
• Circuits damplification pour moteurs DC
• Autres circuits usuels
• Principales interfaces entre ces circuits

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• ELE3100, Projets de génie électrique
• électronique de contrôle pour robots mobiles

Problématique
Rôle de lélectronique au sein dun robot
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• ELE3100, Projets de génie électrique
• électronique de contrôle pour robots mobiles

Problématique

• Rôle de lélectronique au sein dun robot
• Cela permet en quelque sorte de créer le système
  nerveux du robot.

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• électronique de contrôle pour robots mobiles

Problématique

• Rôle de lélectronique au sein dun robot
• Cela permet en quelque sorte de créer le système
  nerveux du robot.
• Un robot mobile devant raisonner dans le but
  daccomplir différentes tâche doit être muni de
  différents capteurs et actuateurs interfacés par
  une unité de traitement informatique
  (micro-contrôleur ou ordinateur embarqué).

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• ELE3100, Projets de génie électrique
• électronique de contrôle pour robots mobiles

Problématique

• Rôle de lélectronique au sein dun robot
• Cela permet en quelque sorte de créer le système
  nerveux du robot.
• Un robot mobile devant raisonner dans le but
  daccomplir différentes tâche doit être muni de
  différents capteurs et actuateurs interfacés par
  une unité de traitement informatique
  (micro-contrôleur ou ordinateur embarqué).
• Il est nécessaire dutiliser des circuits
  dinterface appropriés.

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• électronique de contrôle pour robots mobiles

Problématique
Voici une liste des principales composantes
électroniques dun robot mobile 
Ordinateur ou micro-contrôleur Cartes de contrôle
numérique Cartes d'interface Encodeurs
optiques Capteurs analogiques Capteurs numériques
Système de vision Console de commande Circuits
dalimentation des moteurs Circuits
dalimentation Batteries Câblage
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• électronique de contrôle pour robots mobiles

Principales architectures de contrôle

• Que cherchons-nous à faire généralement?
• Les robots mobiles sont souvent munis de moteurs
  DC.
• En général, nous désirons les contrôler en
  vitesse ou en position, grâce à une boucle de
  contrôle performante (exemple contrôleur PID).

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Principales architectures de contrôle
Exemple typique de boucle de contrôle de moteur
DC
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• électronique de contrôle pour robots mobiles

Principales architectures de contrôle

• Existe-t-il dautres techniques de contrôle?
• Parfois, un contrôleur individuel pour chacun
  des moteurs nest peut-être pas la solution
  désirée.
• Il existe donc différentes architectures
  possibles permettant dimplanter différents types
  de contrôleur.

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Principales architectures de contrôle
Contrôle par carte(s) dédiée(s)
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• électronique de contrôle pour robots mobiles

Principales architectures de contrôle

• Contrôle par carte(s) dédiée(s)
• Avantages  boucle de contrôle rapide, peu
  dutilisation du CPU, grand choix de moteurs
• Inconvénients  circuiterie complexe, peu de
  flexibilité au niveau du contrôle

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Principales architectures de contrôle
Exemple de carte dédiée ESC629 de RTD
(http//www.rtd.com/PC104/UM/controller/esc629.htm
)
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Principales architectures de contrôle
Contrôle par moteurs avec contrôleurs
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• ELE3100, Projets de génie électrique
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Principales architectures de contrôle
Contrôle par moteurs avec contrôleurs

• Avantages  boucle de contrôle rapide, peu
  dutilisation du CPU, circuiterie simple
• Inconvénients  peu de flexibilité au niveau du
  contrôle, communication lente, moteurs
  dispendieux et choix limité

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Principales architectures de contrôle
Contrôle par ordinateur embarqué
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Principales architectures de contrôle

• Contrôle par ordinateur embarqué
• Avantages  grande flexibilité au niveau du
  contrôle, grand choix de moteurs
• Inconvénients  circuiterie complexe,
  utilisation plus importante du CPU, boucle de
  contrôle plus lente

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Circuits damplification pour moteurs DC
Fonctionnement du pont en H
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Circuits damplification pour moteurs DC
Fonctionnement du pont en H sens de rotation
positif
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Circuits damplification pour moteurs DC
Fonctionnement du pont en H sens de rotation
négatif
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Autres circuits usuels
Circuit dalimentation, exemple simple
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Autres circuits usuels
Exemple de schéma-blocs, robots footballeurs
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Autres circuits usuels
Choix des batteries
Le choix des batteries est crucial dans le
processus de conception dun robot mobile
puisquil implique dimportantes contraintes aux
niveaux de la conception mécanique et de
lautonomie électrique. Effectivement, le volume
occupé par les batteries et le poids quelles
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.
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• électronique de contrôle pour robots mobiles

Autres circuits usuels
Choix des batteries
Il existe trois principales familles de batteries
rechargeables qui sont appropriées pour une
utilisation dans un robot mobile (utilisation
cyclique, décharge rapide et courants demandés de
quelques ampères) les batteries à acide-plomb
("SLA"), les batteries au Nickel-Cadmium
("Ni-Cd") et les batteries au Nickel-Hydride de
métal ("Ni-MH"). Les deux dernières familles
(Ni-Cad et Ni-MH) offrent une densité dénergie
beaucoup plus grande que la première (SLA), la
plus grande densité étant offerte par les
batteries Ni-MH. Ces batteries sont toutefois
beaucoup plus dispendieuses que les batteries à
acide-plomb et elles demandent également une
attention plus soignée au niveau de la recharge.
La solution à acide-plomb constitue donc une
solution très peu dispendieuse et la recharge de
ces batteries est assez facile. Par contre, leur
densité dénergie est assez faible et elles
impliquent donc un poids important, ce qui limite
les performances du robot.
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• ELE3100, Projets de génie électrique
• électronique de contrôle pour robots mobiles

Autres circuits usuels
Choix des circuits DC-DC
Les convertisseurs DC-DC permettent de
transformer la tension dalimentation du robot,
soit la tension provenant des batteries en
niveaux de tension utilisés par lélectronique de
contrôle, soit du 5V, du 12V et possiblement
du 12V et 5V.   Pour choisir ces
convertisseurs, il est nécessaire dévaluer la
puissance demandée par la totalité des circuits
pour un niveau de tension donné. Ces différentes
valeurs de puissance se retrouvent dans les
fiches techniques des circuits et cartes
utilisés. Il faut également prévoir une certaine
marge au niveau de la puissance disponible pour
prévoir des ajouts futurs. Par exemple, dans le
cas du robot footballeur, il faut prévoir lajout
dun système de vision embarquée.
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• ELE3100, Projets de génie électrique
• électronique de contrôle pour robots mobiles

Autres circuits usuels
Principaux circuits dinterface

• Entrées/sorties numériques  permettent de lire
  létat de capteurs numériques ou de capteurs
  analogiques numérisés par un CAN et de générer
  des signaux de commande numériques.
• Entrées/sorties analogiques  permettent de lire
  létat de capteurs analogiques et de générer des
  signaux de commande analogiques.
• Compteurs  permettent de compter des signaux
  numériques, par exemple les incréemnts des
  encodeurs optiques incrémentaux.

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• ELE3100, Projets de génie électrique
• électronique de contrôle pour robots mobiles

Autres circuits usuels
Principaux circuits dinterface

• Horloges  permettent de contrôler des processus
  temporels (périodiques ou non) de façon beaucoup
  plus précise que ce quoffre le système
  dexploitation de lordinateur embarqué.
• Sorties PWM  certaines cartes peuvent offrir
  directement des sorties PWM.
• Circuits de lecture dencodeurs optiques
  certaines cartes offrent des circuits dédiés à la
  lecture dencodeurs optiques.

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• ELE3100, Projets de génie électrique
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Autres circuits usuels
Exemples de circuits dinterface (en format
PC104)
Carte dinterface dencodeurs optiques
http//www.acs-tech80.com/products/5912/index.ht
ml
Carte de compteurs et horloges (pour PWM)
http//www.diamondsystems.com/products/quartzmm
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• électronique de contrôle pour robots mobiles

Autres circuits usuels
Exemples de circuits dinterface (en format
PC104)
Carte E/S (32 E 4 S anal., 24 E/S numériques)
http//www.diamondsystems.com/products/diamondmm
32at
Carte 48 E/S numériques  http//www.versalogic.co
m/Products/DS.asp?ProductID62
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• ELE3100, Projets de génie électrique
• électronique de contrôle pour robots mobiles

Principales interfaces entre ces circuits

• Principales interfaces disponibles sur un
  ordinateur embarqué
• Différents bus sériels et parallèles
• CAN, I2C, RS232, RS422, RS485, USB,
  IEEE-1394 (FireWire),
• I2C, Ethernet, port parallèle
• Les principaux bus utilisés
• bus PCI (PC/104), bus ISA (PC/104)
• Références web
• http//www.pc104.org
• http//www.interfacebus.com/Interface_Bus_Types.ht
  ml

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