Exposcience 2006 : Le robot de combat du Lycée louis Payen de la Réunion

EXPOSCIENCE 2006 DU LYCEE LOUIS PAYEN
St Paul île de La Réunion
Présentation au public Du 29 juin au 2 juillet.
(attention : installation dès le mercredi 28 juin à partir de 9h pour les exposants)

Conception du robot SUMOTOZOR
Un robot de combat type sumo amélioré

2h / semaine, une petite équipe d'élèves de 1ère S SI (Sciences de l'ingénieur) se consacre à la conception et à la réalisation du robot Sumotozor, en vue d'une lutte épique contre le robot du lycée Pierre Poivre de St Joseph lors de l'exposcience 2006.
Le robot sera piloté à distance par deux radiocommandes : la première servira à contrôler le déplacement du sumo, la deuxième d'actionner les armes.
Deux controlboyF1 (68Hc11 F1) seront mis à contribution pour la gestion du robot.


Conception de la base : 2 mini trottinettes électriques munies de 2 roues folles. 140kg de poussée .	Conception de la carte électronique de puissance à base de relais + transistors hacheurs	Récupération d'une pince pour le monter sur le robot

Découpage d'un élément en bois	Perçage des fixations du support des cartes électroniques	Soudage carte électronique

Le robot avec son "canon " coup de poing

Depuis la rentrée de février, on ne chôme pas mais le travail est encore plus long que prévu et le temps nous est maintenant compté.
On essaie cette année d'avoir un système plus pratique pour l'alimentation, à savoir ne plus avoir à sortir les batteries pour les recharger mais juste à mettre une prise jack . Celle-ci doit déconnecter la carte alimentation lors de la charge.
De plus, fusible et protections sont rajoutées (impératif avec des batteries capable de fournir plusieurs dizaines d'ampères)
Les cartes mères sont fixées, ainsi que la carte alimentation et la carte de puissance qui contrôle les roues motrices.
L'alim (5V, 9V, 12V et 24V) est ok , et la carte moteur aussi ok (après soudures de plusieurs connections oubliées !)
Voici le schéma général de la carte. La carte électronique qui pilote les moteurs pince, bras, levier n'est pas encore faite (ni même les schémas...), bref il y a encore du boulot !
Après les vacances de mars, on devrait pouvoir attaquer la programmation de la base (faudra être efficace en algo pour pas perdre de temps !) . Il restera alors environ 6 semaines (12h) pour réaliser les cartes manquantes, mettre en place les dispositifs de protection contre l'ennemi (...) , réaliser les câblages, finir la programmation et obtenir, si murphy le veut bien, un robot totalement fonctionnel prêt pour croiser le fer !

L'appareil photo est tombé en panne, on va utiliser la webcam en attendant mieux !

Rajout de connections oubliées entre la carte mère et la carte interface puissance

Les premiers tests de programmation du microcontrôleur 68HC11F1 se sont déroulés avec succès, malgré quelques soucis au niveau d'un régulateur 12V qui a lâché sans raison évidente après avoir coupé le courant (sans chauffer du moins). On suspecte un retour de courant (décharge de condo ?) dans la sortie et une diode a été monté aux bornes du nouveau régulateur (entre entrée et sortie) . Ensuite il n'y a plus eu de problème mais ce régulateur sera à surveiller de près ...
Les premières routines ont été faites pour faire tourner les moteurs dans les 2 sens de rotation et réguler la vitesse (signal carré de rapport cyclique variable généré par le timer qu'il a fallu paramétrer )
Ensuite, le récepteur HF N°1 a été connecté et on a réalisé un programme pour traiter les signaux des 2 voies (lecture de la largeur d'impulsion et affichage sur l'écran à cristaux liquide des valeurs relatives aux deux voies en fonction de la position des manettes de la radiocommande )
Enfin, on eu juste le temps de piloter un moteur en tout ou rien en fonction de la position d'une manette.

On notera que la veille, les batteries 24V on été rechargées avec succès en 4H environ, notre interrupteur switch s'avérant très pratique. Fini les problèmes de batteries à enlever !
Pas de plantage de la carte mère, c'est bon signe : L'alimentation de la carte mère est indépendante de celle des moteurs. De plus on a largement limité les parasites moteurs et relais avec condos et diodes de roues libres (C'est vital, car sinon vous pouvez avoir des plantages aléatoires de la carte mère même si les alims PO/PC sont séparées ...)

Après avoir testé les capteurs DPI d'origine, on décide de les remplacer par deux capteurs type contact. En effet, le capteur DPI a une portée trop faible (2 à 3 mm) et si le système "coup de pince" est un peu dévier ou plie légèrement, il n'y avait plus de détection, ce qui n'est pas très fiable.
Après avoir mis en place le premier capteur, on se rend compte d'une erreur : la vis de fixation bloque le passage de la glissière . La solution a été de dévier légèrement le capteur .

Pendant ce temps, deux autres élèves (Leila et Buvat) se chargent de réaliser le deuxième circuit interface moteurs . La carte va permettre de piloter 4 autres moteurs (alim 12V) , dont 2 avec régulateur de vitesse (hacheur transistor). Elle sera gérée par la deuxième carte 68HC11F1

02-05-2006 :
Voici le nouveau schéma structurel du robot Sumotozor. La deuxième carte interface moteur (connecté au 68HC11 N°2) est enfin prête et il ne reste plus qu'à la câbler.

Notre deuxième arme est en cours de montage, on a enfin trouvé une idée pas trop dangereuse mais qui devrait néanmoins être efficace : une perceuse (hum quelque peu modifiée ...) va être montée sur l'arrière pour transpercer l'adversaire .
Thébault avance un peu la programmation du robot, sachant qu'on ne peut encore rien tester tant que toutes les cartes ne sont pas terminées. Il a déjà trouvé l'algorithme pour la variation de vitesse en fonction de la position de la manette, mais d'autres problèmes algorithmiques se posent et devront être résolus par notre équipe d'ingénieurs en herbes !
Au niveau de la carte électronique, grâce à l'ULN2803 on attaque le transistor MOS en 12V ou 24V, ce qui permet une très bonne saturation.( L'uln2803 est constitué de transistors darlingtons à collecteur ouvert ). Le transistor sera d'autant mieux saturé que la tension Vgs est élevée. Une bonne saturation du transistor est importante pour éviter les pertes énergétiques par effet joules. En effet, la puissance dissipée par le transistor est le produit P = Vds*Id . Le courant Id étant important ( = courant moteur ) , il faut que Vds soit le plus faible possible pour que le produit Vds * Id soit le plus faible possible et limiter l'échauffement du transistor. Pour un courant moteur de 10A , si Vds = 0,2V; cela fait 0,2* 10 = 2Watts à dissiper en chaleurs (d'où aussi l'importance du radiateur monté sur nos transistors)

On peut voir à l'arrière, une perceuse (manche coupé) destinée à contrer toute attaque en traite de l'ennemi.
Le premier soucis est de solidement la fixer avec une bague en aluminium pliée à la main.
Selon un espion ayant infiltré la section robotique de Pierre-Poivre, le robot ennemi disposerait d'un système élévateur destiné à soulever notre robot pour l'immobiliser (en mettant les roues arrière du sumotozor dans le vide). Avec la perceuse qui sera dotée d'une mèche acier haute performance, il aura intérêt d'avoir la carapace solide ...

26-05-2006
Le disjoncteur de la carte de puissance est remplacé par le fusible 10A .

Le câblage est enfin terminé et on attaque le programme pour gérer la perceuse et la pince. On se rend compte qu'il manque encore quelques liaisons (on a oublié d'alimenter le deuxième récepteur HF et la deuxième carte micro-contrôleur 68HC11F1)
La réception est ok, il faut donc programmer les armes . Comme on a que deux voies pour piloter 4 moteurs (pince, bras, perceuse et élévation), l'équipe réfléchit au codage qu'il faudra réaliser (brainstorming sur tableau blanc ).
Le codage est ainsi défini :
Manette GAZ avant : bras sort.
Manette GAZ en central : stop bras
Manette GAZ en arrière : bras rentre
Manette direction à droite : fermer pince
Manette direction en central : Ouvrir pince (temporisé puis arrêt)
Manette direction à gauche : Moteur perceuse ON
De plus :
Si Manette GAZ position basse et on agit sur direction , alors on pilote le moteur élévateur ::
Gauche : Descendre
Droite : Monter

La perceuse fonctionne mais il y a un problème avec la variation de vitesse : après diverses vérifications, l'erreur est trouvée et sera rectifiée à la prochaine séance (petite inversion au niveau du schéma structurel par rapport au câblage de la carte réelle)
Il faudra aussi rajouter les radiateurs aux transistors et voir pourquoi la pince ne veut pas s'ouvrir ...

Ce lundi PM, le groupe profite de l'indisponibilité d'un professeur (bac) pour terminer la programmation du système d'armes :
Dans un premier temps on recâble les moteurs sur les bonnes sorties .
Le moteur de la perceuse émet un bruit agréable de montée en puissance : le variateur fonctionne .
On attaque le moteur pilotant la pince : il reste désespérément à l'arrêt . Vérification faite, il n'était apparemment pas correctement relié au bornier
(mauvais contact). Si le problème ressurgit, il faudra vérifier les soudures ou le câble. Le fonctionnement est finalement OK.
(le variateur de vitesse n'a pas été programmé car la pince se ferme/ouvre déjà lentement)
Vient ensuite le moteur du bras : La programmation ne pose pas de problème particulier ( avec gestion des capteurs de fin de course) . Par contre un problème mécanique au niveau de l'engrenage en sortie empêchait le moteur de bien tourner. Il a pu être résolu par Chiron (ouf, car on n'a pas de motoréducteur identique et il aurait fallu bricoler dans l'urgence ...).
Enfin, restait plus que le moteur du système élévateur : Une formalité après 2h30 de programmation.
Tout est donc fonctionnel et l'équipe s'apprête à prendre la photo finish : on coupe l'alimentation des cartes mères et ... le fusible saute ! Cette fois ci, le problème est dû à un court-circuit se produisant dès qu'on appuie un peu sur la carte alim.
On soupçonne dans un premier temps une mauvaise soudure mais rien n'y fait, le problème persiste (plusieurs fusibles ont grillés) Finalement, après une vérification plus poussée, le problème est clairement identifié : c'est l'interrupteur qui entre en contacte avec la carcasse métallique du robot (la carcasse étant à la masse via les fiches jack). Comme on avait déjà isolé l'interrupteur, on a pensé à tort que le problème venait d'ailleurs : mais l'isolant (scotch) s'use très vite et s'est percé.
Il faudra donc surélever la plaque légèrement pour éliminer le problème.

Au final, tout est ok. Il faudra tester l'ensemble en extérieur et ajouter une fonctionnalité au programme qui gère le déplacement du robot pour lui permettre de tourner tout en avançant (on testera l'algo à Thébault)

Les programmes en basic11 (maj du 29-05-2006):
Carte 68HC11F1 N°1 (contrôle déplacement) : cliquer ici
Carte 68HC11F1 N°2 (contrôle des armes) : cliquer ici

Cliquez ici pour voir la vidéo réalisée par notre équipe de roboticiens (18 méga , ADSL indispensable)
Le robot Sumotozor était prêt au combat ... mais faute de combattant (Pierre Poivre s'est désisté au dernier moment !) Payen gagne par forfait .
L'exposcience s'est super bien passée, tous le monde était super content mais c'est terminée pour cette année (snif !) rendez vous dans 2 ans pour expo 2008 avec toujours plus d'innovations !


Le sumotozor ouvert	La carrosserie du sumo !	un gros plan de la bête

Repos bien mérité après une longue journée d'explications aux visiteurs!	Comme le sumo fonctionne bien, on peut se consacrer aux autres "robots et catapultes"	Damour prépare le robot explorer 2 pendant que Chiron et Leila travaille sur la catapulte (Chalenge fil rouge de l'exposcience)	Bilal se charge de réaliser le nouveau programme pour l'exporer 2 qui devra suivre une ligne noire sur fond blanc

Nicolas travaille sur la catapulte.	Le robot sumotozor étonne petites et grands !	Buvat (désolé pour la tête coupée) explique le fonctionnement du robot	La bête s'attaque à une chaise, faute de trouver un adversaire à sa taille (Pierre Poivre forfait) La ficelle est une sécurité en cas de malheur (perte de contrôle de la bête)

Le sumo tente d'attaquer le gamin qui se protège derrière papa pas très rassuré (140kg à 30km/h cela peut faire mal ...) Couché rex !!!	Bilal et Nicolas maîtrisent bien leur sujet !	C'est l'épreuve fil rouge avec les catapultes fabriquées par tous les stands concurrents. L'équipe Louis Payen réussit un tir à 1m40 et gagne le concours des plus de 11 ans...

Programmation explorer II	On a rajouté des leds "hautes luminosité" pour éclairer le terrain afin de ne plus être tributaire de la luminosité ambiante. Succès sur toute la ligne !	Le robot, après quelques petits ajustements, est capable de suivre la ligne noire tout seul	Pause déjeuner
		Cliquez ici pour voir notre vidéo (attention 18 méga , adsl indispensable)
Le Stand Louis Payen

Déroulement de l'exposciences :
Mercredi : l'équipe s'installe dans la halle d'exposition et on effectue les tests de fonctionnements sur site. On a des plantages aléatoires de la carte mère (c'est ce qu'il y a de pire en matière de robotique ...) On découple toutes les alimentations et le moteur avec des condos, on éloigne de 10cm la carte mère de la carte de puissance et on déplace un câble moteur qui passait juste au dessus du 68HC11. On se rend compte aussi qu'on a oublié une masse entre carte de puissance et carte mère !
Mais la carte controlby refuse de redémarrer malgré une tentative de réinitialisation du talker (on vérifie la fréquence process mais c'est bien du 16Mhz) . Une erreur d'écriture eprom (première fois rencontrée en 7 ans de cboy !) nous oblige à changer la carte.
Jeudi matin, 30 minutes avant l'arrivée des visiteurs, la carte est changée et le programme reloadé. Tout fonctionne impeccable! On sera tranquille 3 jours (jeudi, vendredin et samedi) , tout fonctionnant parfaitement.
Le dimanche matin, le contrôle des armes ne fonctionne plus : la carte controlboy associée ne répond plus. Apparemment même type de problème rencontrée avec l'autre carte (contrôle de la base) . On vérfie les tensions et là horreur : tous les régulateurs (7805, 7809 ...) semblent dysfonctionner car le multimètre affiche 7 V pour un régulateur 5V ! , 13V pour un régu de 9V ... Mais en fait c'était dû à un dysfonctionnement du ... multimètre (batterie trop faible !)
Il faudra cependant changer l'éprom ou / et le 68Hc11 car apparemment elle a aussi morflée .
On n'a pas encore la raison : une mauvaise série ? , le problème du disjoncteur qui l'aurait fragilisé ? le problème de la masse flottante (entraînant une tension négative ou variable au niveau des entrées du 68HC11 ?), une surtension générée par les émetteurs HF sur la carte ?


Chiron maintient le robot pendant que Hoareau effectue le perçage pour la fixation du capteur.	Il faut être appliqué, percer droit et ne pas trembler sans quoi la mèche peut casser en perçant l'alluminium..	Le capteur est implanté .



Ce vendredi 5 mai, l'équipe teste le programme pour le contrôle du robot par radio commande : La variation de vitesse fonctionne très bien et après quelques petits ajustements, l'équipe décide de faire une démo dans l'enceinte du lycée (le prof est un peu réticent car pas très sur de la fiabilité - son 6ème sens lui dit que murphy rode dans les parages- , mais il finit par céder face à l'enthousiasme des élèves) . Simon est aux commandes, le robot est vif et réagit à la moindre sollicitation des manettes. Tout semble ok mais après quelques minutes, le robot part dans une danse un peu chaotique : l'équipe pense que c'est Simon qui fait le malin mais lui même ne réalise pas vraiment ce qui se passe à savoir une perte de contrôle : c'est bizarre là ...Monsieur ... .Le prof (qui avait eu une prémonition murphydienne et était donc en alerte maximum) se précipite et soulève les roues arrières : il était temps, le robot allait s'encastrer dans le mur de l'escalier. Retour au labo pour comprendre le problème : On avait oublié de déplier l'antenne réceptrice et forcément la réception n'était plus bonne dès que le robot s'éloignait un peu . On fait un nouvel essai roues hors sol : Mise sous tension de la partie puissance et "PAF" : on entend un gros claquement suivi d'une odeur de brûlé : le régulateur 12V vient de lâcher (le claquement pouvant être dû au bruit d'une piste/soudure qui éclate). C'est la deuxième fois que le régulateur 12V nous lâche : voilà un problème sérieux à résoudre, mais encore faut-il comprendre la cause pour agir. Entre la sortie 12V et l'entrée 24V du régulateur, on avait rajouté la diode mais de toute évidence cela n'a pas réglé le problème. De plus, le régulateur n'a pas chauffé : il n'était donc pas en court-circuit ou surcharge. De toute façon les régulateurs 78XX sont protégés en interne contre les courts-circuits. Le régulateur est donc probablement mort d'une surtension, mais générée par quoi ? (réflexion intense) La mort a été très rapide et le claquement laisse supposer une surtension importante . Le régulateur peut encaisser jusqu'à 35Volts . La batterie est de 26Volts max : le coupable est donc probablement une bobine : pourtant les relais ont leur diode de roue libre (vérification du bon câblage au VCC de la patte 10 (diode clamp) de l'uln2803 ). L'autre élément possédant une bobine sont les moteurs, mais ces derniers sont isolés du 12V (ils fonctionnent en 24V haché) et de toute façon ils ont leurs diodes de roue libre). Mais alors, d'où vient le problème ?? Les 2 fois que le régulateur a lâché, c'était en fermant ou ouvrant le disjoncteur magnétothermique; or ce type de disjoncteur possède un gros bobinage qui laisse penser qu'il pourrait bien être la cause de tout nos ennuis : cela expliquerait la mort du régulateur par surtension. Tué par le dispositif sensé protéger le montage : çà c'est du murphy ! A la prochaine séance, après les petites vacances de mai, on vire le disjoncteur et on le remplace par un interrupteur classique + fusible. Il faudra se hâter de câbler la deuxième carte de puissance et faire le programme de commande des armes.


Buvat et Chiron câblent le deuxième microcontrôleur avec la carte interface de puissance (des armes)	Bilal soude la carte avec le fusible de protection de la deuxième carte de puissance (armes)