Balises Ultrason 2013

Les balises ultra sonores sont un des nombreux projets de R&D lancés cette année par Robot-X. L'objectif principale n'est pas de garantir un système 100% fiable dès la première année de développement, mais d'établir un projet sur le long terme. Il faut en moyenne 2 à 3 années à une équipes pour parvenir à développer de tels systèmes de "géolocalisation"

L'objectif :

Les balises ultrasonores ont étés développées afin de prévenir les collisions entre nos robots et les robot adverses. En pratique, plusieurs batteries de capteurs de contacts, ou de capteurs de proximités on été disposée sur toutes les faces des robot, mais rien ne peut garantir qu'un capteur de proximité infra-rouge puisse détecter un éventuel robot constitué de plastique transparent.

Le second avantage, et non le moindre, nous confère la possibilité de connaitre à tout moment, la position du robot adverse. Cette information est d'ordre capitale, car elle nous permet d'anticiper les mouvement ennemies, mais aussi d'annuler certains objectifs en cour de match, ou au contraire d'en rajouter.

Le principe :

Les balises Ultrasonores que nous avons développé ne sont pas montées sur les bords de la tables. Elles se situent sur le ou les tourelles des robot adverses, et sous nos propres tourelles comme conformément au règlement 2013. Le principe repose sur l’émissions de salves ultrasonores depuis les balises embarquées sur nos robot. Ces salves sont mesurées par les balises réceptrices montées sur les tourelles adverses. Via une circuiterie analogique, nous sommes capable de moyenner le signal reçue en un cour laps de temps, pour d'en déduire, en fonction de la température et de l'humidité l'affaiblissement qu'on connues les salves leur de leur chemin dans l'air. Nous connaissons alors la distance robot à robot adverse.

En disposant 5 émetteurs et 5 récepteurs sur nos cartes, nous pouvons facilement couvrir un périmètre de 360° autour de nos robot. En combinant les informations reçus par les récepteurs nous sommes alors capables d'estimer l'orientation du robot adverse vis-a-vis de notre position.

Les informations sont renvoyé de robot à robot grâce à l'utilisation d'émetteurs Zigbee.

Choix technologiques

Ce set de balises se décline avec 2 balises émettrices et 2 balises réceptrices. Les premières, monté sur nos robots sont alimentées directement via les batteries du robot (16V). La tension d'alimentation des émetteurs est ensuite portée à 24V puis régulée à 20V. Cette élévation de tension permet en outre d'augmenter la puissance d'émission, mais aussi de garantir une puissance d'émission constante. En effet la tension batterie va s'écrouler au fil des matchs, faussant les calculs de distance.

Une solution, qui n'a pas encore été explorée aurais pue consister à utiliser un pont en H pour driver les émetteurs ultrasons. Ceci permet d'atteindre une dynamique du signal de l'ordre de 20V à partir d'une tension continue de 10V.

Pour en revenir aux balises émettrices, elles sont capables de communiquer via le bus CAN avec le reste des organes du robot. Elles incorporent une liaison Zigbee, qui va permettre d'établir des passerelles avec non seulement les balises réceptrices, mais aussi avec le second robot . Cette dernière option va ouvrir de nouvelles perceptives en terme d'IA.

Les balises réceptrices sont constitues, comme leur nom l'indique, de 5 récepteurs ultrasonores. Calées sur la fréquence de 40Khz, ils sont épaulés par un circuit analogique qui va dans un premier temps, amplifier le signal (gain = 50 ), puis le filtrer a travers un filtre passe bande du 2éme ordre. Il en suit ensuite un redressement simple alternance sans seuil ( seuil de la diode supprimée via la contre réaction de l'AOP), puis un moyenneur constitué d'une simple capacité (technologie NPO pour éviter les dérives en température) et d'une résistance pour effectuer la moyenne du signal reçue. Ce signal maintenant "continue" est ensuite passé à travers un dernier filtre passe bas du 2éme ordre. Ce dernier étage permet de moyenner encore une fois le signal, et de sortir sur une broche ADC du µC en garantissant une faible impédance en sortie.

5 ADC sont alors utilisé pour effectuer les conversion numériques.

Ce système est alimenté via 2 accus rechargeables 9V, afin de garantir une alimentation symétrique aux AOP utilisés. Il aurais été possible de n'utiliser qu'une seule pile 9V, et de générer une masse virtuelle sur les entrées AOP mais ceci aurait complexifié le schéma. Deux piles nous permettent aussi de nous libérer de la contrainte imposé par les tensions de déchet du rail négatif en cas d'alimentation asymétrique.

Les AOP sont alimentés en +/-3.5V, de manière à garantir une plage de conversion optimale pour l'ADC du µC ( tension de référence de 3.3V). Les spécifications du µC préconisent une tension d'entrée maximale d'environ 3.6V sous peine de faire irréversiblement chauffer le µC voire de l’assassiner. Avec un peu moins de 3.5V en sortie de l'AOP nous sommes à 100% certain de ne jamais griller nos entrées ADC. Une paire de diodes Schottky sont néanmoins connectées sur l'entrée ADC afin de ne jamais injecter de tension négative, ou trop positives en cas de dysfonctionnement de la chaine d’acquisition ou en présence de perturbations EMC.

Etat de l'avancement du projet :

A l'heure actuelle, un premier prototype de chaque cartes à été réalisé. Après plusieurs semaines de débug analogique, puis numérique, nous sommes parvenues à émettre des salves et à en recevoir. Un premier système, fonctionnant en 5V niveau récepteur a malheureusement dysfonctionné, coutant la vie à plusieurs µC ... une seconde version, 3v3 présenté dans l'article est en cours d'assemblage. Les premier test on montré une grande sensibilité des ultrason à leur environnement. Le mouvement d'un objet est repéré à 1métre, sans que ce dernier ne sois dans la ligne de mire de l'émetteur ultrason. Les rebonds, très nombreux risques de paralyser notre système. En effet, la présence de personnes ou de murs à proximité des balises modifie largement la moyenne du signal reçue ( rebonds ) et risquent de fausser les mesures de distances.

A méditer ...

Nos schémas :

Ils sont déclinés en 3 parties, puisque 3 PCB sont nécéssaires pour loger toute la circuiterie.

Carte emmeteur :

partie inférieur :

De balises us

partie milieu

De balises us

partie supérieur

De balises us

Carte réceptrice :

Partie du bas

De balises us

Partie du milieu

De balises us

Partie haute

De balises us

Pierre-Luc JAMMES Ingénieur développement analogique