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Conception et réalisation d'un robot mobile à  base d'arduino


par Hocine TAKHI
Université Amar Telidji - Instrumentation 2014
  

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Résumé

Ce projet concerne la conception, la réalisation et la commande d'un robot mobile à trois roues a l'aide d'une carte électronique" Arduino" adapté pour pouvoir la relier au robot après avoir développé le programme en logiciel Arduino ,son rôle est de détecter une source de flamme quelconque et l'éteindre.

Mots clés :robot mobile -Arduino -

Abstract

This project involves the design, implementation and controlling of a mobile robot with three wheels with an electronic card "Arduino" adapted to be able to connect to the robot after developing the program in Arduino software, its role is to detect any source of flame and extinguish it.

Key Words: mobile robot -Arduino -

Sommaire

Liste des figures I

Liste des tableaux VI

Introduction général 1

Chapitre 1 : Généralité sur les robots

1. Introduction 2

2. Historique de l'évolution de la robotique et les robots 2

3. Définition 6

4. Les composants de Robots 7

5. Les types des robots 9

5.1. Les robots manipulateurs 9

5.2. Les robots mobiles 11

6. Domaine d'utilisation des robots 14

7. Avantages et inconvénients des robots 15

8. Conclusion 17
Chapitre 2 : Capteurs et Actionneurs

1. Introduction 18

2. Les capteurs 19

2.1. Définition d'un capteur 19

2.2. Chaine de mesure 20

2.3. Classification des capteurs 20

2.4. Les principes physiques des capteurs 21

2.5. Caractéristiques métrologique 24

2.6. Erreurs et incertitudes dans les capteurs 26

2.7. Etalonnage des capteurs 28

3. Les actionneurs 28

3.1. L'actionneur 28

3.2. Mode de fonctionnement des actionneurs et des moteurs 29

3.3. Les familles d'actionneurs 30

3.4. Les actionneurs électriques 31

4. Conclusion 38
Chapitre 3 : Microcontrôleur et Arduino

1. Introduction 39

2. Historique 39

3. Définition de microcontrôleur 40

3.1. Les composants internes d'un microcontrôleur 40

3.2. Les types des microcontrôleurs 42

3.3. Langage de programmation d'un microcontrôleur 43

3.4. Domaines d'applications des microcontrôleurs 44

4. Arduino 46

4.1. C'est quoi l'Arduino? 46

4.2. Bref historique de l'Arduino 46

4.3. Matériel arduino 46

4.4. Logiciel Arduino 47

4.5. Les avantages de l'arduino 49

5. Conclusion 49
Chapitre 4 : Réalisation

1. Introduction: 50

2. La conception de robot : 50

2.1. La structure de base du robot : 50

2.2. Détail de chaque bloc : 50

2.3. La programmation 63

2.3.1. Définition de programme 63

2.3.2. L'algorithme de programme 63

3. La réalisation 64

3.1. La réalisation des circuits 64

3.2. La réalisation de carcasse du robot 65

5. Le teste de robot 74

6. Conclusion: 76

Conclusion générale: 78

Annexe A : Les tableaux d'étalonnage 79

Annexe B : Algorithme et programme 88

Bibliographie I

Liste des figures

Liste des figures

Figure 1.1 : L'horloge de Ctésibios ( http://ichbiah.online.fr/extraits/robots/histoire-des-robots.htm).

Figure 1.2 : L'automate d'Al Jazari (Cours de robotique fondamental) ( http://ichbiah.online.fr/extraits/robots/histoire-des-robots.htm).

Figure 1.3 : Le canard développé par Jacques de Vaucanson ( http://ichbiah.online.fr/extraits/robots/histoire-des-robots.htm).

Figure 1.4 : Machine à tisser ( http://ichbiah.online.fr/extraits/robots/histoire-des-robots.htm). Figure 1.5 : Le premier ordinateur.

( http://ichbiah.online.fr/extraits/robots/histoire-des-robots.htm)

Figure 1.6 : Les différents types des robots (Introduction à la robotique) ( http://ligmembres.imag.fr/aycard/html/Enseignement/intro-robotique.pdf)

Figure 1.7 : Un bras manipulateur ( http://michel.llibre.pagesperso-orange.fr/)

Figure 1.8 : Effecteur finale d'un manipulateur ( http://www.snipview.com/q/Robot end effector)

Figure1.9 : Différents actionneurs d'un robot

( http://www.robotshop.com/blog/en/files/actuators.jpg)

Figure 1.10 : Différents capteurs d'un robot

( http://www.societyofrobots.com/images/sensors_reference.jpg)

Figure 1.11 : Un contrôleur utiliser pur commander un robot ( http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega)

Figure1.12 : Le logiciel qui commande le robot

( http://www.societyofrobots.com/step_by_step_robot_step1.shtml)

Figure 1.13 : L'espace de travaille de robot cylindrique (Computer Aided Manufacturing) Figure 1. 14: L'espace de travaille de robot rectiligne (Computer Aided Manufacturing) Figure 1.15 : L'espace de travaille de robot sphérique (Computer Aided Manufacturing) Figure 1.16 : L'espace de travaille de robot articulé (Computer Aided Manufacturing)

Figure 1.17 : L'espace de travaille de robot SCARA ( http://www.societyofrobots.com/robot_arm_tutorial.shtml)

Figure 1.18 : L'architecture d'un robot mobile (SLIMANE Noureddine, "SYSTEME DE LOCALISATION POUR ROBOTS MOBILES" Mémoire pour l'obtention du grade de docteur d'état en robotique. Université de Batna)

II

Figure1.19 : Robot de type unicycle (Belkhadria Khemisti, "commande d'un robot mobile par réseaux de neurones artificiels" Mémoire en vue de l'obtention du diplôme de magister en électronique. Option : Robotique. Université El Hadj Lakhdar Batna)

Figure1.20 : Robot de type tricycle (Belkhadria Khemisti, "commande d'un robot mobile par réseaux de neurones artificiels" Mémoire en vue de l'obtention du diplôme de magister en électronique. Option : Robotique. Université El Hadj Lakhdar Batna)

Figure1.21 : Robot de type voiture (Belkhadria Khemisti, "commande d'un robot mobile par réseaux de neurones artificiels" Mémoire en vue de l'obtention du diplôme de magister en électronique. Option : Robotique. Université El Hadj Lakhdar Batna)

Figure1.22 : Robot de type omnidirectionnel (Belkhadria Khemisti, "commande d'un robot mobile par réseaux de neurones artificiels" Mémoire en vue de l'obtention du diplôme de magister en électronique. Option : Robotique. Université El Hadj Lakhdar Batna)

Figure 1.23 : Robot chirurgical Da Vinci ( http://www.chirurgie-robotisee.ch/)

Figure 1.24 : Le robot infirmier RIBA ( http://www.engadget.com/2011/08/02/riba-ii-healthcare-robot-now-stronger-smarter-still-a-bear/)

Figure 1.25 : Le robot patient Hanako Showa ( http://www.scriptol.fr/robotique/robots/medical.php)

Figure 2.1 : Les différents étages d'un system automatisé (Sensors and Actuators: Control System Instrumentation)

Figure 2.2 : Chaine d'action d'un capteur

Figure 2.3 : Schéma d'un capteur composite (Les capteurs en instrumentation industrielle (par Georges Asch))

Figure 2.4 : Quelque effet physique d'un capteur actif : a) thermoélectrique, b) pyroélectrique, c) piézoélectrique, d) indiction électromagnétique, e) photoélectricité, f) effet Hall (Les capteurs en instrumentation industrielle (par Georges Asch))

Figure 2.5 : Les trois domaines de fonctionnement d'un capteur (Chapitre_01_668_H14)

Figure 2.6 : La sensibilité d'un capteur (Sensor Technologies: Healthcare, Wellness and Environmental Applications (Par Michael J. McGrath,Cliodhna Ni Scanaill))

Figure 2.7: hystérésis d'un capteur (Resistive, Capacitive, Inductive, and Magnetic Sensor Technologies (Par Winncy Y. Du))

Figure 2.8 temps de réponse d'un capteur

Figure 2.9 temps de récupération

Figure 2.10 : L'erreur du zéro (Chapitre_01_668_H14)

Figure 2.11 : L'erreur liée à l'étalonnage (Chapitre_01_668_H14)

Figure 2.12 Schéma fonctionnel et symboles des actionneurs

III

Figure 2.13 Principe de la commande de vitesse en boucle fermée

Figure 2.14 : Actionneur hydraulique

( http://www.coastersworld.fr/index.php?page=reportage_safetybar)

Figure 2.15 : Actionneur piézoélectrique ( https://www.elprocus.com/piezoelectric-ultrasonic-motor-technology/)

Figure 2.16 : Vue en couple simplifiée

( http://stigen.branly.amiens.free.fr/fiches%20elec/moteur.pdf)

Figure 2.17 : Perspective de l'induit simplifiée

( http://stigen.branly.amiens.free.fr/fiches%20elec/moteur.pdf)

Figure 2.18 : Règle de la main droite

( http://physique.vije.net/1STI/electricite_m.php?page=force_magnetique2)

Figure 2.19 : Les couples d'un moteur

( http://stigen.branly.amiens.free.fr/fiches%20elec/moteur.pdf)

Figure 2.20 : Bilan de puissance ( http://www4.ac-nancy-metz.fr/lyc-loritz-nancy/pre bac/ssi/cours/electrotechnique/MoteursDC/equations.htm)

Figure 2.21 : a)Symbole d'un moteur à excitation indépendant ; b) à excitation shunt

Figure 2.22 : Symbole d'un moteur à excitation série ( http://christophe.bleja.free.fr/cours/ch6/moteurserie-I.htm)

Figure 2.23 : Symbole d'un moteur à excitation compound

Figure 2.24 : Structure de moteur à balais et moteur sans balais

(file:///C:/Users/Hocine/Downloads/la_machine_synchrone_monophasee_et_biphasee_dans_les_aut omatismes j.f hilaire%20(1).pdf)

Figure 2.25 : Un servomoteur

( http://www.mysti2d.net/polynesie//SIN/08/ServoLent/ServoLent.html?Servomoteur.html)

Figure 2.26 : Moteur à aimants permanant ( http://www.mdpmotor.fr/documentation/lexique/pas-a-pas/composition.html)

Figure 2.27 : Moteur hybride ( http://www.mdpmotor.fr/documentation/lexique/pas-a-pas/composition.html)

Figure 2.28 : Moteur à réluctance variable ( http://www.mdpmotor.fr/documentation/lexique/pas-a-pas/composition.html)

Figure 3.1 : Schéma des éléments principaux d'un microcontrôleur (Microcontrollers: Fundamentals and Applications with PIC (Par Fernando E. Valdes-Perez,Ramon Pallas-Areny))

Figure 3.2 : Symbole d'un convertisseur numérique/analogique ( http://www.physagreg.fr/capes-physique-montage-8-conversion-analogique-numerique.php)

IV

Figure 3.3 : Signal analogique par la technique PWM ([35])

Figure 3.4 : Les types des microcontrôleurs ([31])

Figure 3.5 : L'architecture d'un microcontrôleur (Microcontroller (Par V. Udayashankara))

Figure 3.6 : Les appareils de communication

( http://www.rueducommerce.fr/Destockage/Telephonie/Telephones-fixe-sans-fil/ICREATION/4899593-Telephone-portable-DECT-Bluetooth-I650-noir.htm)

Figure 3.7 : Appareil médicale ( http://buzz-esante.com/2015/01/06/freestylelibre-patch-connecte-pour-la-mesure-de-la-glycemie/)

Figure 3.8 : Appareil de sécurité ( http://www.climatisation-alarme-var.fr/alarmes-surveillance-vidauban).

Figure 3.9 : Les appareils industriels ( http://www.cogniscotech.com/default.aspx) Figure 3.10 : Les moyens de transports ( http://blogvoyages.fr/se-deplacer-en-france/) Figure 3.11: TV, video, HIFI ( http://www.speedpcservices.net/produits.html)

Figure 3.12 : Enregistreur de données géographiques à pile et système de fixation ( http://hitech.bfh.ch/fr/archives/hitech_32009/geolocalisateur.html)

Figure 3.13 : Déférent types des capteurs pour l'arduino ( http://www.trossenrobotics.com/c/arduino-sensors.aspx)

Figure 3.14 : Déférents actionneurs pour l'arduino ( http://technopengl.free.fr/index.php?page=Actionneurs)

Figure 3.15 : Déférent types des cartes arduino

( https://www.sparkfun.com/categories/103?page=all)

Figure 3.16 : Interface de logiciel arduino

( http://www.louisreynier.com/fichiers/KesacoArduino.pdf)

Figure 3.17: Détail de barre de bouton ( http://www.louisreynier.com/fichiers/KesacoArduino.pdf)

Figure 4.1 : La structure générale du robot

Figure 4.2 : Le placement des capteurs infrarouge dans le robot

Figure 4.3 : Schéma du capteur infrarouge

Figure 4.4 : L'opération d'étalonnage

Figure 4.5 : La valeur maximale en fonction de distance

Figure 4.6 : L'opération d'étalonnage angulaire

Figure 4.7 : La valeur maximale en fonction de l'angle

Figure 4.8 : L'effet de la fente sur le capteur

V

Figure 4.9 : La valeur de capteur de précision en fonction de distance

Figure 4.10 : La valeur de précision en fonction de l'angle

Figure 4.11 : Courbe d'étalonnage de thermistance

Figure 4.12 : Schéma de capteur de température

Figure 4.13 : Capteur ultrason HC-SR04

Figure 4.14 : L'opération d'étalonnage de capteur de distance

Figure 4.15 : Étalonnage de capteur de distance HC-SR04

Figure 4.16 : La carte Arduino Mega

Figure 4.17 : Le moteur DC utilisé

Figure 4.18 : Schéma de circuit de commande du moteur

Figure 4.19 : L'opération d'étalonnage de circuit de commande

Figure 4.20 : L'étalonnage de circuit de commande

Figure 4.21 : Schéma de circuit de commande de la pompe

Figure 4.22 : Schéma de circuit d'alimentation

Figure 4.23 : Solid Edge

Figure 4.24 : La forme sous du robot

Figure 4.25 : Les cotés principales du robot

Figure 4.26 : Le châssis du robot sous Solid Edge

Figure 4.27 : Le châssis du robot réalisé

Figure 4.28 : Le cadre du robot sous Solid Edge

Figure 4.29 : Le cadre de robot réalisé

Figure 4.30 Mauvaise fonctionnement du robot

Figure 4.31 Les anciens circuits de commande

Figure 4.32 L'ancien cadre

Figure 4.33 Bonne fonctionnement du robot

Figure 4.34 : L'icone de l'application QuickRemote

Figure 4.35 : La télécommande crée

Figure 4.36 : L'opération de teste

Liste des tableaux

VI

Liste des tableaux

Tableau 1.1 Les avantages et des inconvénients des différents types de robots à roues

Tableau 2.1 : quelque domaine d'utilisation des capteurs et des actionneurs

Tableau 2.2 : L'influence des mesurande sur les propriétés électriques de matériaux.

Tableau 2.3 : comparaison des différents types de moteurs pas à pas

Tableau 3.1 : Les développements historiques dans les produits de microprocesseurs

Tableau 4.1 : L'étalonnage de distance des capteurs infrarouge

Tableau 4.2 : L'étalonnage angulaire des capteurs infrarouge

Tableau 4.3 : L'étalonnage de distance du capteur de précision

Tableau 4.4 : L'étalonnage angulaire du capteur de précision

Tableau 4.5 : Tableau d'étalonnage de capteur de distance

Tableau 4.6 : Etalonnage de circuit de commande

Tableau 4.7 : Les circuits de robot

Tableau 4.8 : Les pièces du robot

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