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 Introduction :Capteur de ligne 
La particularité de la coupe E=M6 est d'avoir des lignes blanches sur le terrain. Cela peut être fort utile de les repérer pour se recaler ou tout simplement se déplacer.
(Ces capteurs ont été réalisés pour le robot de l'INT version 98 et 99)
=> Utilisation de capteurs infrarouges

  Interfaçage de la carte capteur avec une carte mère du robot
Le principe de la détection est de pouvoir avoir une tension compatible TTL, avec front montant (ou descendant) lors du franchissement de ligne. En effet il s'est avéré compliqué (et logiciellement lourd) d'utiliser les tensions analogiques générées par des capteurs, qu'il aurait fallu convertir à l'aide d'un convertisseur, de plus cela prend du temps pour la conversion et les convertisseurs ne sont pas forcement économiques.
Il a donc été prévu de fournir directement une tension prenant les valeurs 0 et 5V en sortie du montage. Cette tension est donc réutilisable par le programme d'asservissement du robot, après acquisition des données par la carte mère via une carte Entrée/Sortie (carte ISA dans le cas d'une carte mère embarquée).

  Principe de fonctionnement et choix des composants
La diode émettrice et le photo transistor.

Pour caractériser les lignes, on se sert des différences de coefficients d'absorption des ondes infra-rouge par les deux couleurs. On peut considérer que le blanc reflète entièrement les ondes émises alors que le vert absorbe plus.

Le principe des capteurs est le suivant : ils sont composés d'une diode émettrice et d'un photo-transistor, disposés de sorte que le faisceau émis, le capteur étant perpendiculaire à une surface plane, soit réfléchi sur le photo-transistor.
Le transistor est polarisé sous une tension +V l'énergie lumineuse reçue sur la base joue le même rôle qu'une tension de commande.
Schéma

 Caractéristiques générales du montage
Capteur infrarouge: HOA1180
Amplificateur opérationnel: LM6482 ( rail to rail donc pas de tension de déchet)
Potentiomètre: Ajustable du type cermet horizontal
Connecteurs: HE14 droite double males
Résistances: série E24

Schéma de principe:

Schéma


 Explication sur le montage
La tension mesurée en sortie du transistor est donc analogique, proportionnelle à la lumière réflechie par le support visé. On pourra donc détecter les lignes blanches du terrain vert, grâce au contraste.

Pour ce qui est des capteurs, nous avons choisi les Honeywell HOA 1180 (On trouve par exemple les capteurs chez Radiospares), d'une part à cause de leur taille réduite qui les rend plus logeables que les HOA 1405, mais surtout parce que le faisceau émis est plus focalisé et permet d'éloigner les capteurs du sol, jusqu'à 1cm (contre 5mm Max pour les HOA 1405). C'est un facteur important quand on sait les contraintes auxquelles sont soumis les robots en match (chocs violents, vibrations) et qui mettent en danger les capteurs.
Un autre avantage des capteurs est qu'ils peuvent être alimentés en 5V et qu'ils consomment très peu de courant (moins de 100 mA Max) : ils sont donc alimentables directement par le +5V de la carte mère par exemple.

Après essai sur le terrain, on se rend compte que, très focalisés, ces capteurs ne sont pas influencés par les lumières parasites rasantes, et que, polarisés comme indiqué ci-dessous, la tension de sortie varie de 2V pour le vert, à 4V pour le blanc, la tension Vce du phototransistor diminuant avec la lumière. Un tel contraste permet de distinguer sans problème les couleurs.

Schéma


  Pour les valeurs des résistances, on se reportera au schéma d'ensemble, ci-dessus.

  Comparateur
On ne peut se contenter d'un simple comparateur à seuil pour décider si la zone visée est verte ou blanche, d'une part parce qu'avec de simples vibrations, l'intensité lumineuse reçue varie, d'autre part parce qu'on n'a jamais à faire exactement aux mêmes blancs, ceci étant vrai sur un même terrain non uniformément sali.

On utilise donc un comparateur à hysteresis, afin que des déclenchements intempestifs ne viennent perturber le programme qui lit les informations de franchissement de ligne.  
Un problème se pose cependant : le montage d'un tel comparateur est fait de telle sorte que les déclenchements se font à des tensions symétriques par rapport à 0V. Le capteur donne des tensions entre 0 et 4,5V, il faudra modifier le montage du comparateur en procédant à un décalage de niveau de référence, en reliant la masse du montage classique à une tension positive (de valeur réglable) par rapport à la masse du montage (masse virtuelle).
On utilise un suiveur afin de présenter au diviseur de tension une impédance d'entrée assez élevée, pour éviter d'avoir un courant de fuite qui fausserait les calculs.


Avec le second montage, on peut, en jouant sur les valeurs des potentiomètres Palpha  et Pbeta, faire varier respectivement la moyenne des valeurs à détecter (dans notre cas ce sera environ 2,5 ou 3V) et les plages de variations autorisées pour le signal d'entrée.
La fonction de transfert du montage est la suivante :
 Alpha et Beta sont les valeurs (comprises entre 0 et 1) que fournissent les potentiomètres tous deux montés en diviseurs de tension, donc pour lesquels la valeur nominale n'est pas très importante. Il a juste fallu veiller à prendre la valeur de Palpha assez grande pour que le diviseur ne consomme pas trop de courant, et une valeur pour Pbeta assez faible pour que les éventuels parasites ne créent pas à ses bornes une tension ajoutée trop importante.
Schéma de principe global

  Alimentation
Comme indiqué sur les schémas, on utilise une tension de +5V (fournie par la carte mère) pour décaler la référence du comparateur, mais on peut également se servir de cette tension 0V/5V pour alimenter des amplificateurs opérationnels, à savoir des LMC 6482 rail to rail. Ceci a le double avantage d'éviter l'alimentation en +12/-12V et de fournir (grâce à la faible tension de déchet) des sorties à saturation très voisines de 0 et de +5V : on pourra ainsi brancher ces sorties directement sur la carte Entrée/Sortie (dans la mesure où les entrées de cette dernière sont à haute impédance d'entrée).
On se sert donc, pour ce montage, de la seule tension 0V/5V pour les capteurs et les amplificateurs opérationnels.
Ce qui prime dans ce montage est la simplicité, principalement pour des raisons de fiabilité et de rapidité des dépannages éventuels.

 Réalisation du montage: Circuit imprimé
Le robot devait être muni de X capteurs. Il peut être réalisé sous n'importe quel routeur, un exemple de carte 16 capteurs ci-dessous.  
La carte ci-dessous s'occupe du traitement du signal et intégre les ampli op. Les plots ( 1 2 3 ... 7) sont branchés vers les cartes capteurs qui avaient été déportées sur notre robot. Les connecteurs A1 A2 ...A7 et B1 B2 ... B7 sont branchés à une carte d'entrée sortie TTL  



On retrouve ci-dessous la carte qui supporte une rampe de 8 capteurs IR.



En fait chacun adaptera le routage à son robot et les cartes ci-dessus ne sont données qu'à titre indicatif.


 Les problèmes et les solutions
Les problèmes rencontrés et les solutions envisagées
  • Choix des capteurs Infra-Rouge  
    L'utilisation des capteurs HOA 1405 fut d'abord envisagée mais lors de tests préliminaires, les niveaux en sortie des capteurs étaient trop faibles (2V au Maximum), ceci à cause d'un faisceau émis « mal » focalisé pour l'utilisation que nous en faisions. En utilisant les HOA 1180, mieux focalisés et munis d'un transistor darlington en sortie, les niveaux ont été plus que doublés. Pour des surfaces faiblement éclairées (les capteurs fixés sous le robot bénéficiaient de l'ombre que celui-ci créait, du moins lors des essais préliminaires)  et peu contrastées comme celles du terrain, c'était le choix le plus indiqué.

  • Visualisation des états hauts par diode  

  • Les potentiomètres Palpha et Pbeta étaient prévus respectivement pour régler les seuils de déclenchement et la plage de tolérance pour Ve, la tension en sortie des capteurs. Cependant, une fois en place sur le robot, il était déjà difficile d'accéder aux potentiomètres et de les régler de façon précise : il s'avérait acrobatique de venir relever les tensions avec un oscilloscope (même si par la suite il a bien fallu s'y résoudre, mais c'était un cas extrême comme nous le verrons).  
    Donc, pour connaître en permanence l'état (haut ou bas) des comparateurs, des LED (avec leurs résistances de polarisation) ont été branchées en parallèle avec la sortie. Le faible courant consommé et la résistance de sortie quasi nulle des amplificateurs opérationnels assurait que ceux-ci n'influenceraient pas le niveau de sortie.  
    Il fallait tout de même se soucier de ce détail car la sortie attaque directement une carte lisant les informations en 0V/5V.  

  • Eblouissement des capteurs :  

  • La première carte réalisée était parfaitement réglée sur la table qui avait été confectionnée à l'INT.  
    Avec des valeurs en sortie des capteurs variant du simple au double les réglages se sont avérés simples.  
    Cependant des problèmes survenaient si l'on ne prenait pas garde à la distance par rapport au sol : trop loin (plus de 1,5 cm) les capteurs ne recevaient presque plus d'infra-rouges réfléchis, l'affaiblissement étant trop important, et trop près, l'étage de sortie du capteur était saturé en permanence, le flux reçu par le photo-transistor étant trop important pour distinguer le blanc du vert.  
    La meilleure distance pour le fonctionnement sur notre terrain était de 5mm.  
    Malheureusement, il s'est avéré que la peinture utilisée sur les terrains officiels ressemblait fortement à de la peinture pour table de ping-pong : elle était à la fois claire, mais surtout très réfléchissante : les lumières rasantes qui ne nous gênaient pas jusqu'alors étaient réfléchies par le terrain malgré l'ombre du robot, ce qui rendait l'éclairement moyen trop important.  
    Le problème de contraste des couleurs à discriminer aurait pu être résolu par des réglages minutieux du niveau de référence et des seuils de déclenchement du comparateur, mais l'intensité lumineuse éblouissait les capteurs de toutes les façons.  
    Nous avons intercalé, en série avec la diode existante pour la polarisation des diodes émettrices des capteurs, une résistance variable. Le but était de pouvoir limiter et ajuster le courant parcourant la diode (donc l'énergie émise) afin que le capteur ne soit plus « ébloui ». Même si le niveau à la sortie restait élevé en pointant sur le vert, on pouvait observer une variation d'un peu moins de 1V en amplitude.  
    En combinant des réglages sur Palpha, Pbeta et cette dernière résistance, et surtout en suivant de très près la variation des niveaux à l'entrée du comparateur grâce à un oscilloscope, il a été possible d'obtenir un système fonctionnant en conditions de match, c'est à dire avec des vibrations, sur des peintures « éblouissantes » et sous un fort éclairage. Toutes ces améliorations ont été apportées en 1999, les cartes fonctionnant quelque soit le terrain.

    Pour tout renseignement: grassin@netcourrier.com



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