Formation des enseignants Initiation à la robotique Mini-projet Marc Silanus –...

ISNInformatique et Sciences du Numérique

Formation des enseignants

Initiation à la robotique

Mini-projet

Marc Silanus – marc.silanus@ac-aix-marseille.frGénie Electronique – Lycée A. Benoit – Cours Victor Hugo – 84803 L’ISLE SUR LA SORGUE

Le programme élèveSavoirs Capacités Observations

Découverte d’un système robotique et de sa programmation

• Identifier les différents composants d’un minirobot et comprendre leurs rôles respectifs.

• Décrire un système à événements simple à l’aide d’une machine à états finis.

• Programmer (dans un langage de haut niveau) un mini robot pour lui faire exécuter une tâche complexe.

On propose des activités adaptées aux équipements et logiciels disponibles dans l’établissement.

Planning

1. Qu’est-ce qu’un robot ?2. A quoi servent les robots ?3. Les kits robotiques4. Les simulateurs5. Application didactique• Définition de la problématique• Définition des limites du prototype• Recherche de solutions• Apport de connaissances élémentaires• Concevoir un prototype pour répondre à la problématique

1- Qu’est-ce qu’un robot?

Initiation à la robotique1- Qu’est-ce qu’un robot ?

• « Robota » signifie « Travail » en Tchèque.

• Introduit en 1921 par l'écrivain tchèque Karel Čapek (Tschapek) dans une pièce de théâtre.

• Désigne des êtres anthropomorphes qui réponde parfaitement aux ordres de leur maitre

Initiation à la robotique1- Qu’est-ce qu’un robot ?

• Définition : Machine pouvant manipuler des objets et réalisant des actions conformément à un programme préétablie et modifiable.

• Conséquence : Programmer un robot consiste à lui spécifier la séquence d’action qu’il doit réaliser

• Remarques :

• Les robots sont souvent dotés de « sens » (divers capteurs) leur permettant de décider de l’action la mieux adaptées à la situation ou à l’environnement.

• Les robots peuvent acquérir une certaine « expérience » au cours de leur fonctionnement : Dispositif d’Intelligence Artificielle (IA)

Energie

Secteur, Batteries, panneaux solaires, …

Initiation à la robotique1- Qu’est-ce qu’un robot ?• Schéma bloc

Carte mère

Système de traitement de l’information

Capteurs

acquisition des grandeurs physiques

Actionneurs

Réalisation des actions

programmésPositionVitesse

AccélérationTempérature

Humidité….

Grandeursphysiques

Grandeur électrique(tension, courant, fréquence, …)

Transmission numérique ou analogique

Transmission numérique ou

analogique

Interface de communication

Envoyer et/ou recevoir des informations

DéplacementPréhension

SonLumièreMesures

Liaison filaireSans filClavier

Ecran tactile…Transmission

numérique ou analogique

Initiation à la robotique1- Qu’est-ce qu’un robot ?• Principaux constituants d’un robot (mobile)

• La base mobile

• Les capteurs

• La base mobile

Þ Holonomie : le nombre de degrés de libertés contrôlables est égal au nombre total de degrés de liberté.

A partir d’une position donnée, une plateforme holonome devra donc pouvoir se déplacer :

en avant, sur le coté et tourner sur elle-même, le tout simultanément

• La base mobile

Þ Les plates-formes différentielles :

• La base mobile

Þ Les plates-formes omnidirectionnelles :

• La base mobile

Þ Les plates-formes omnidirectionnelles :

• La base mobile

Þ Les plates-formes non holonomes :

• La base mobile

Þ Les plates-formes à pattes :

• Les capteurs

Þ Les capteurs tactiles : Choc, préhension, …

• Les capteurs

Þ Les odomètres : Vitesse, trajectoire

• Les capteurs

Þ Les télémètres à ultrason : distance aux éléments de l’environnement

• Les capteurs

Þ Les télémètres à infrarouge : distance aux éléments de l’environnement

• Les capteurs

Þ Les télémètres laser : distance aux éléments de l’environnement, cartographie

• Les capteurs

Þ Les caméras : Perception de l’environnement Détection d’amers pour le positionnement Détection de guides de navigation (routes, couloirs, rails, …)

Traitement d’image : Indexation (recherche automatique dans une BD) Recherche des contours Colorimétrie Profondeur (déplacement apparent des objets) …

• Les capteurs

Þ Les centrales inertielles : Accéléromètre : accélération en translation Gyromètre : accélération de rotation Gyroscope : position angulaire par rapport à un axe de référence Magnétomètre ou boussole électronique

• Les capteurs

Þ Les balises : Repères de navigation ou de positionnement Actives ou passives

• Les capteurs

Þ Le GPS : Positionnement

• Les systèmes de traitement de l’information

Þ Le microcontrôleur : circuit intégré qui rassemble les éléments essentiels d'une carte mère :

• processeur, • mémoires (RAM et ROM),• interfaces d'entrées-sorties (Numériques, et Analogiques),• Convertisseurs Analogique / Numérique,• Timers,• PWM, • …

Þ L’automate programmable industriel : dispositif électronique programmable destiné à la commande de processus industriels par un traitement séquentiel.: • processeur, • mémoires (RAM et ROM),• Cartes d'entrées-sorties (Numériques, et Analogiques),• Modules de communication (RS232, RS485, Modbus, Ethernet, …)• Modules Motion• …

Þ L’ordinateur embarqué : utilisent généralement des microprocesseurs à basse consommation d'énergie ou des microcontrôleurs. • Disposent d’un système d’exploitation qui facilite la gestion des

tâches à effectuer.• Plusieurs programmes peuvent être exécuter simultanément.

2- A quoi servent les robots ?

Initiation à la robotique2- A quoi servent les robots ?

• Industrie : Effectuer des tâches répétitives lorsque les processus de fabrication sont fréquemment soumis à des modifications.

• Régularité dans l’exécution des tâches

• Pas de phénomène de lassitude ou de fatigue

• Résistance aux environnement dangereux (gaz nocifs, températures extrêmes, radiations, …)

• Transport : Transporter de biens ou des personnes sur des trajets prédéfinis ou programmés.

• Flexibilité d’exploitation (24h/24, 7j/7, gestion optimisée de flotte)

• Réduction des coûts d’exploitation (pas de chauffeur, moins d’erreurs humaines)

• Investissements limités (Véhicules plus simples, Infrastructure légère)

• Pas de pollution atmosphérique

• Pas de bruit

Simserhof (parcours 800m – 10h/jour)

FuturoscopeAV-T3

transporteur cargo autonome Fuji Heavy Industries (Subaru)

Automated Guided Vehicules (Laser, Wifi)Transport de linge – hôpital d’Arras.

Automated Guided Vehicules (Laser)

• Médical : Reproduire les mouvements du chirurgien en temps réel avec une grande précision.

• Opération à distance

• Vision en 3D en HD : Finesse et précision de la zone d’intervention

• Transmission mécanisée des gestes en supprimant les tremblements

• Domestique : Ces robots peuvent faire de multiples tâches ou simplement nous divertir.

• Aspirateur, tondeuse à gazon, nettoyage de piscine, …

• Assistance à la personne

• Militaire : Autonomes ou commandés à distance, conçues pour des opération de reconnaissance, d’attaque ou de déminage.

• Pas de problème moral en cas de capture ou destruction

• Mise en réserve en tant de paix

• Pas de formation longue et couteuse (mise à jour)

• Réduction des couts de fabrication de l’armement.

• Explorateur : Exploration d’environnements difficiles pour l’homme.

• Exploration spatiale

• Sites contaminés (Tchernobyl, Fukyshima)

• Décombres suite à un séisme, une explosion, ...

Curiosity a touché le sol martien le lundi 6 août 2012

Nomad Exploration Moraine de l’Eléphant l’AntarctiqueJanvier 2000, recherche et identification de météorites

• Humanoïde : Ressemblent à l’être humain, principale motivation des roboticiens.

• Assistance à la personne, travail collaboratif avec les humains

• Capable de marcher, monter/descendre les escaliers

• Reconnaitre les visages, parler, comprendre la parole, …

Projet « M » Exploration Lunaire

CB2Ucroa : Robot model

Simdroïd (robot patient dentaire)

Geminoïde

3- Les kits robotiques

http://www.generationrobots.com

• Thymio II (http://www.generationrobots.com )

148.00 € - Programmation Aseba (environnement open source)

Initiation à la robotique3- Les kits robotiques

• mOway (http://www.alecop.fr)

• 299 € (generationrobots.com) – programmation en C

• K-Junior (http://www.didastel.fr)

• À partir de 685 € (generationrobots.com) – programmation en C

• Lego Mindstorms NXT (http://www.generationrobots.com/ )

Kit programmation en C (RobotC) : 349 €

Kit Education : 330 € - Programmation Lego Mindstorm (LabView)

• Fishertechnik (http://www.fischertechnik.de)

Environ 450 € (technologie services) – Programmation : Logiciel Robo Pro Fischertechnik

• Vex Robotics (http://www.generationrobots.com)

A partir de 600 € – Programmation en C (Robot C)

• Bioloid (http://www.robotshop.com/ - http://www.dmseducation.net/)

• 349 $ à 1200 $ (roboshop) – programmation Robot Plus (basé sur le C)

148.00 € - Programmation Aseba (environnement open source)

• NAO (http://www.erm-automatismes.com/produit.php?id=403 )

• Erma Board (http://www.erm-automatismes.com)

• 349 $ à 1200 $ (roboshop) – programmation

• Prix non communiqué – programmation en C (arduino) – Multi-langage (Fox)

4- Les simulateurs

Initiation à la robotique4- Les simulateurs

• Guido van Robot (http://gvr.sourceforge.net/index.php )

• Initiation à la programmation

• Linux, Windows, Mac

• Syntaxe basée sur Python

• 18 leçons disponibles

• Gratuit

• Démo

• Rossum's Playhouse (RP1) (http://rossum.sourceforge.net/downloads.html )

• Simulateur 2 dimensions

• Contrôle logique de navigation

• Langage Java – C/C++

• The Rossum Project : The Trinity College Fire-Fighting Home Robot Contest.

• Gratuit

• Démo

• Azolla (http://www.codeproject.com/Articles/33587/2D-LUA-Based-Robot-Simulator )

• Validation d’algorithmes

• Windows

• Sources : Visual Studio C++

• Programmation : Lua

• Gratuit

• Démo

• Microsoft Robotics Developer Studio (http://www.microsoft.com/robotics/ )

• Kit de développement

• Programmation du robot

• Windows (nécessite VS Express)

• VPL, VB.NET, C#, C++, Python

• Gratuit

• Plateformes :

• Lego NXT,• Parallax BOE-BOT,• IRobot Roomba, …

• Webot (http://www.cyberbotics.com/ )

• Validation solutions matérielles

• C/C++, java, Python, Matlab

• Payant (env 2000€/poste)

• Marilou (http://www.anykode.fr )

• Validation solutions matérielles

• C/C++, java, Python, Matlab

• Payant (env 2000€/poste)

5- Application didactique

Initiation à la robotique5- Application didactique• Définition de la problématique

Un hôpital souhaite s’équipé d’un dispositif de transport automatique pour :

• les plateaux repas,

• le linge de lit,

• les traitements médicamenteux, ….

Initiation à la robotique5- Application didactique• Définition des limites du prototype

Aucune modification des locaux ne peut être envisagée.

Pas d’émission d’ondes radio

Déplacement dans les couloirs uniquement

Initiation à la robotique5- Application didactique• Recherche de solutions

Châssis

Comportement

CapteursTraitement de l’information

Langage

Initiation à la robotique5- Application didactique• Apport de connaissances élémentaires

• Tâche 1 : Avancer

• Tâche 2 : Tourner autours d’un point

• Tâche 3 : Avancer-reculer entre deux obstacles

• Tâche 4 : Avancer jusqu’à un obstacle, faire un demi-tour et repartir en marche avant

• Tâche 5 : Suivre un mur (le mur de droite par exemple)

Initiation à la robotique5- Application didactique• Concevoir un prototype pour répondre à la problématique

• A partir des bases robotiques :

• Lego Mindstorm• Kjunior

• Simulation avec Azolla

• Tâche 1 : Avancer

function azolla.main(azolla)

while true do

front = azolla:readsensor(0)

if(front<10) then

azolla:setspeed(0,0)

azolla:setspeed(20,20)

azolla:stepforward()

• Tâche 2 : Tourner autours d’un point

Tourner sur lui-même. Centre de rotation au centre de l’axe des roues : Vitesse de même valeur mais de sens opposé à chaque roue.

Rayon de braquage égal à la distance entre les roues. Le centre de rotation se situe sur la roue qui sert de pivot : Vitesse nulle à cette roue.

Rayon de braquage égal à 2x la distance entre les roues : Le centre de rotation se situe à r=b.

⇒ Vitesse roue 1 :

⇒ Vitesse roue 2 : dt

1V.2dt

d.r.22v

• Tâche 2 : Tourner autours d’un pointfunction azolla.main(azolla) while true do

azolla:setspeed(-10,10) //Tourner sur lui-même endEnd

function azolla.main(azolla) while true do

azolla:setspeed(0,10) //rayon braquage = distance entre roues endend

azolla:setspeed(5,10) //rayon braquage = 2x distance entre roues endend

• Tâche 3 : Avancer-reculer entre deux obstaclesfunction azolla.main(azolla) while true do

front = azolla:readsensor(0)back = azolla:readsensor(3)if(front<12) then sens=-1 -- Définir le sensendif(back<12) then sens=1end-- Vitesse constanteif(front>20 and back>20) then vitesse=20;end-- Accéléré ou ralentirif(front<20) then

vitesse=2*front-20;endif(back<20) then

vitesse=2*back-20;endazolla:setspeed(sens*vitesse+1,sens*vitesse+1)azolla:stepforward()

endEnd

• Tâche 4 : Avancer jusqu’à un obstacle, faire un demi-tour et repartir en marche avant

function azolla.main(azolla) azolla:setspeed(10,10) while true do

front = azolla:readsensor(0)back = azolla:readsensor(3)if(front<2) then

azolla:setspeed(0,-9)endif(back<3) then

azolla:setspeed(10,10)endazolla:stepforward()

endend

• Tâche 5 : Suivre un mur (le mur de droite par exemple)

front = azolla:readsensor(0)right = azolla:readsensor(1)if(front<10) then azolla:setspeed(-10,10)else if(right>5.25) then azolla:setspeed(4,5) --Correction else if(right<4.75) then azolla:setspeed(5,4) --Correction else azolla:setspeed(5,5) end endendazolla:stepforward()

endend

• Tâche 5 : Amélioration – Correction proportionnelle

.V4.5,0

V2V max

• Moteur droit : Vmoy + Vc• Moteur gauche : Vmoy – Vc

• Tâche 5 : Amélioration – Correction proportionnellefunction azolla.main(azolla)

while true dofront = azolla:readsensor(0)back = azolla:readsensor(3)right = azolla:readsensor(1)moyenne = 5Kp=4delta = right - moyenneVmoy=10Vc=Kp*deltaif(front<moyenne) then

azolla:setspeed(-5,5)else

azolla:setspeed(Vc+Vmoy,Vmoy-Vc)endazolla:stepforward()

endend

• Tâche 5 : Amélioration – Correction proportionnelle intégrale

Si l’erreur persiste, il faut longtemps au correcteur proportionnel pour agir.

Si on augmente la valeur de Kp : le robot se met à osciller.

On calcule le cumul des erreurs pendant un certain temps et on le multiplie par un coefficient pour ajuster la correction de vitesse :

)t.(.K.KVIpc

• Tâche 5 : Amélioration – Correction proportionnelle intégralefunction azolla.main(azolla)

Vmoy=10moyenne = 5somme=0Kp=4Ki=0.01while true do

front = azolla:readsensor(0)back = azolla:readsensor(3)right = azolla:readsensor(1)delta = right - moyennesomme=somme+deltaVc=Kp*delta+Ki*sommeif(front<moyenne) then

azolla:setspeed(Vmoy+Vc,Vmoy-Vc)endazolla:stepforward()

endend

• Tâche 5 : Amélioration – Correction proportionnelle intégrale dérivé

Prévoir les erreurs pour essayer de les corriger avant qu’elles se soient produites :

On suppose que la prochaine variation de l'erreur est identique à sa dernière variation :

ErreurFuture = ErreurActuelle + derive.t

Soit : derive = (ErreurActuelle – ErreurPrécédente)/t

Prévoir les erreurs pour essayer de les corriger avant qu’elles se soient produites :

On suppose que la prochaine variation de l'erreur est identique à sa dernière variation :

ErreurFuture = ErreurActuelle + derive.t

Soit : derive = (ErreurActuelle – ErreurPrécédente)/t

tK.K.KV dIpc

function azolla.main(azolla)Vmoy=10moyenne = 5somme=0derive=0ErreurPrecedente=0Kp=9Ki=0.01Kd=20while true do

front = azolla:readsensor(0)right = azolla:readsensor(1)

delta = right - moyennesomme=somme+deltaderive=delta-ErreurPrecedenteVc=Kp*delta+Ki*somme+Kd*deriveif(front<moyenne) then

azolla:setspeed(Vmoy+Vc,Vmoy-Vc)endErreurPrecedente=deltaazolla:stepforward()

endend

• Tâche 5 : Amélioration – Logique floue

Fonctions d’appartenance en entrée de la variable linguistique « position du robot »

Trop loin

430400

Correct

Fonctions d’appartenance en sortie

Variable linguistique « Puissance du MD »

9876543210

Application de la règle n°1

Application de la règle n°2

MD = 0x0,8 + 9x0,2 = 1,8

IR=KJunior_get_proximity(RIGHT); if(KJunior_get_proximity(FRONT) > 400) KJunior_set_speed(0,0); else if(IR<401) { MD=0; MG=9; } else if(IR>400 && IR<431) { MD=(int)(0.3*IR-120); MG=9; } else if(IR>430 && IR<471) { MD=9; MG=9; } else if(IR>470 && IR<501) { MD=9; MG=(int)(-0.3*IR+150); } else if(IR>500) { MD=9; MG=0; } KJunior_set_speed(MG,MD); }

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