École Polytechnique de Montréal Département de génie électrique

1. École Polytechnique de MontréalDépartement de génie électrique ELE3100 - Projets de génie électrique Robotique et informatique Cours no. 8: Électronique de contrôle pour robots mobiles Coordonnateur:Réjean Plamondon, ing. Ph.D., professeur titulaireDépartement de génie électrique, section génie biomédical (A.429.16)Courriel: rejean.plamondon@polymtl.ca Chargé de cours et de laboratoire:Julien Beaudry, étudiant M.Sc.A. (A.321)Courriel: julien.beaudry@polymtl.ca Chargé de laboratoire:Moussa Djioua, étudiant Ph.D. (A.408)Courriel: moussa.djioua@polymtl.ca

2. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Plan du cours • Problématique • Principales architectures de contrôle • Circuits d’amplification pour moteurs DC • Autres circuits usuels • Principales interfaces entre ces circuits 2

3. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Problématique Rôle de l’électronique au sein d’un robot: 3

4. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Problématique • Rôle de l’électronique au sein d’un robot: • Cela permet en quelque sorte de créer le système nerveux du robot. 4

5. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Problématique • Rôle de l’électronique au sein d’un robot: • Cela permet en quelque sorte de créer le système nerveux du robot. • Un robot mobile devant raisonner dans le but d’accomplir différentes tâche doit être muni de différents capteurs et actuateurs interfacés par une unité de traitement informatique (micro-contrôleur ou ordinateur embarqué). 5

6. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Problématique • Rôle de l’électronique au sein d’un robot: • Cela permet en quelque sorte de créer le système nerveux du robot. • Un robot mobile devant raisonner dans le but d’accomplir 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 d’utiliser des circuits d’interface appropriés. 6

7. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Problématique Voici une liste des principales composantes électroniques d’un 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 d’alimentation des moteurs Circuits d’alimentation Batteries Câblage 7

8. ELE3100, Projets de génie électrique: 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). 8

9. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Principales architectures de contrôle Exemple typique de boucle de contrôle de moteur DC: 9

10. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Principales architectures de contrôle • Existe-t-il d’autres techniques de contrôle? • 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. 10

11. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Principales architectures de contrôle Contrôle par carte(s) dédiée(s): 11

12. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Principales architectures de contrôle • Contrôle par carte(s) dédiée(s): • Avantages : boucle de contrôle rapide, peu d’utilisation du CPU, grand choix de moteurs • Inconvénients : circuiterie complexe, peu de flexibilité au niveau du contrôle 12

13. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Principales architectures de contrôle Exemple de carte dédiée : ESC629 de RTD (http://www.rtd.com/PC104/UM/controller/esc629.htm ) 13

14. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Principales architectures de contrôle Contrôle par moteurs avec contrôleurs: 14

15. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Principales architectures de contrôle Contrôle par moteurs avec contrôleurs: • Avantages : boucle de contrôle rapide, peu d’utilisation du CPU, circuiterie simple • Inconvénients : peu de flexibilité au niveau du contrôle, communication lente, moteurs dispendieux et choix limité 15

16. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Principales architectures de contrôle Contrôle par ordinateur embarqué: 16

17. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles 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 17

18. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Circuits d’amplification pour moteurs DC Fonctionnement du pont en H: 18

19. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Circuits d’amplification pour moteurs DC Fonctionnement du pont en H: sens de rotation positif 19

20. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Circuits d’amplification pour moteurs DC Fonctionnement du pont en H: sens de rotation négatif 20

21. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Autres circuits usuels Circuit d’alimentation, exemple simple: 21

22. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Autres circuits usuels Exemple de schéma-blocs, robots footballeurs: 22

23. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Autres circuits usuels Choix des batteries: Le choix des batteries est crucial dans le processus de conception d’un robot mobile puisqu’il implique d’importantes contraintes aux niveaux 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. 23

24. ELE3100, Projets de génie électrique: 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 d’énergie 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 d’énergie est assez faible et elles impliquent donc un poids important, ce qui limite les performances du robot. 24

25. 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 d’alimentation du robot, soit la tension provenant des batteries en niveaux de tension utilisés par l’électronique de contrôle, soit du +5V, du +12V et possiblement du –12V et –5V. Pour choisir ces convertisseurs, il est nécessaire d’évaluer 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 l’ajout d’un système de vision embarquée. 25

26. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Autres circuits usuels Principaux circuits d’interface: • Entrées/sorties numériques : permettent de lire l’état 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 l’état 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. 26

27. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Autres circuits usuels Principaux circuits d’interface: • Horloges : permettent de contrôler des processus temporels (périodiques ou non) de façon beaucoup plus précise que ce qu’offre le système d’exploitation de l’ordinateur embarqué. • Sorties PWM : certaines cartes peuvent offrir directement des sorties PWM. • Circuits de lecture d’encodeurs optiques : certaines cartes offrent des circuits dédiés à la lecture d’encodeurs optiques. 27

28. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Autres circuits usuels Exemples de circuits d’interface (en format PC104): Carte d’interface d’encodeurs optiques : http://www.acs-tech80.com/products/5912/index.html Carte de compteurs et horloges (pour PWM) : http://www.diamondsystems.com/products/quartzmm 28

29. ELE3100, Projets de génie électrique: électronique de contrôle pour robots mobiles Autres circuits usuels Exemples de circuits d’interface (en format PC104): Carte E/S (32 E 4 S anal., 24 E/S numériques) : http://www.diamondsystems.com/products/diamondmm32at Carte 48 E/S numériques : http://www.versalogic.com/Products/DS.asp?ProductID=62 29

30. 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.html 30