Cellule de test

Comme vous avez pu le comprendre dans les précédents articles, le robot RICA IV a pour objectif d’investiguer et d’intervenir dans des cellules aveugles.  Avant de le livrer notre prototype de RICA à notre client, le CEA, il devra passer des qualifications. Pour cela, nous allons créer une cellule de test.

La cellule 55 

A la demande du client,  nous devons reproduire une cellule aveugle déjà existante et sur laquelle des interventions ont déjà été menées, la cellule 55.  Le CEA a déjà récolté plusieurs informations sur cette cellule, comme la présence d’huile sur le sol ce qui pose des problèmes d’adhérence ou encore la présence d’une fosse au niveau de l’entrée de la cellule. Il faut savoir que le CEA a obtenue ces informations en cartographiant la cellule depuis le haut et depuis l’entré de la cellule. Ils n’ont pas pu accéder à l’intérieur de la cellule car le RICA III n’était pas capable franchir la fosse et donc risquait de devenir un déchet si la tentative de franchissement échouait.

Ci-dessous, vous pouvez voir les photos prises de la cellule par le CEA :

Entrée de la cellule

Schéma vue de côté de la cellule 55

Notre banc de test

Afin de tester notre RICA IV, nous avons décidé d’apporter quelques modifications à la cellule 55.  Il faut savoir que de nombreux obstacles sont nécessaires à la validation de notre cahier des charges et la plupart ne sont actuellement pas présents dans cette cellule. Par exemple, aucun escalier n’est présent hors c’est le principal objectif de notre RICA IV.

Banc de test

Comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessus, nous avons rajouté de nombreux obstacles qui seront modulables. Pour le test d’adhérence, nous avons suggéré que la pente et le type de matériau soit modifiable. Nous pourrons donc définir les limites d’adhérence de notre RICA IV sur différentes matières et déterminer jusqu’à quel angle nous avons encore le contrôle sur celui –ci.

Il faut savoir que sur ce banc de test, les tests liés à la résistance aux radiations ne seront pas effectués. Notre banc de test sera construit dans l’enceinte de l’école, une source de radiation serait donc dangereux à mettre en place. De plus, nous ne sommes pas assez qualifiés pour valider ce type de test alors que le CEA est un expert.

Pour conclure, cette cellule de test devrait être construite après la fin de nos études, nous ne pourrons donc pas assister aux tests complets de notre prototype. Mais nous réaliserons la conception entière de cette cellule.

Robot pousseur : Partie 3 SOFTWARE

Afin que vous compreniez comment nous avons raisonné afin de programmer le comportement des différents robots nous avons décidé de vous exposer une des stratégies employées par un des groupes de notre promotion.

Les différents programmes qui vous seront expliqués par la suite ont été programmés sur le logiciel Arduino en C (Langage de programmation).

Comme expliqué dans l’article « Robot pousseur : Partie 2 Hardware », les robots sont équipés de 2 interrupteurs (voir photo ci-dessous) nous offrant la possibilité de choisir son programme de fonctionnement.

Le programme principal nous permet donc de choisir le sous programme en fonction des conditions suivantes :

Si les deux interrupteurs sont éteints alors aucun programme n’est activé.

Si le l’interrupteur 1 est activé alors le programme du suivi robot sumo côté gauche (voir 2ème sous programme) est activé.

Si l’interrupteur 2 est activé alors le programme du suivi robot sumo côté droit (voir 2ème sous programme) est activé.

Si les deux interrupteurs sont activés en même temps alors le programme suivi du RICA (voir 1er sous programme) est activé.

1er sous programme : Suivi du RICA

Principe de fonctionnement

                     

Le principe du programme est le suivant :

Si le robot voit un objet se trouvant dans la plage de fonctionnement  (comprise entre 11 cm et 75 cm) alors :

Si l’objet est compris dans cette plage, le robot sumo va avancer jusqu’à être à une distance de 11 cm de l’objet pour enfin s’arrêter.

Une fois disposés de telle sorte qu’il y est une distance de 11 cm alors :

Si l’objet avance, le robot va avancer.

Si l’objet recule, alors il va reculer.

Dans ce programme, les vitesses du moteurs sont directement liés (proportionnelles) aux informations des capteurs que le robot sumo perçoit, ce qui lui permet donc d’avancer, de reculer et de tourner.

Si le robot ne voit aucun objet alors il est à l’arrêt.

Logigramme correspondant au suivi RICA:

                                                                  

2ème sous programme : Suivi des robots sumo côté droit et gauche 

Principe de fonctionnement

    

Lors de son fonctionnement normal, le robot sumo doit être à une distance d’un autre robot sumo compris dans la plage 2, soit entre 7 et 8 cm.

Le robot sumo avance ou recule seulement lorsqu’un des deux capteurs perd de vue le robot sumo cible.

1er cas de figure : le robot sumo cible est compris à une distance respectant la plage 2 alors :

    Dans cette plage, la vitesse du moteur gauche = vitesse du moteur droit

Si le robot sumo cible avance de telle sorte que le capteur arrière droit de notre robot sumo le perde de vue alors celui si va reculer jusqu’à ce que les deux capteurs voient le robot sumo cible.

Si le robot sumo cible recule de telle sorte que le capteur avant droit de notre robot sumo le perdre de vue alors celui si va avancer jusqu’à ce que les deux capteurs voient le robot sumo cible.

Dans le cas où notre robot sumo est à l’arrêt et que le robot sumo cible pivote sur place, notre robot sumo va alors pivoter lui aussi afin d’être aligné par rapport au robot sumo cible.

2ième cas de figure : le robot sumo cible se rapproche de notre robot sumo et entre dans la plage 1 alors :

    Si le robot sumo cible avance et tourne  vers la gauche (simulé par la flèche rouge) de sorte à entrer dans la plage 1. La configuration est la suivante : 

                     

Le capteur avant droit de notre robot sumo voit le robot sumo cible se rapprocher. Il va alors vouloir s’en éloigner pour garder une certaine distance et se ramener finalement à la plage 2.

Pour se faire, la vitesse du moteur droit va être plus importante que celle du moteur gauche, lui permettant donc de tourner vers la gauche et de suivre le mouvement du robot sumo cible.

Il en va de même si le robot sumo cible recule et tourne vers la gauche. 

                      

3ième  cas de figure : le robot sumo cible s’éloigne de notre robot sumo et entre dans la plage 3 alors :

    Si le robot sumo cible avance et tourne  vers la droite (simulé par la flèche rouge) de sorte à entrer dans la plage 3. La configuration est la suivante :

                

Le capteur avant droit de notre robot sumo voit le robot sumo cible s’éloigner. Il va alors vouloir s’en rapprocher pour garder une certaine distance et se ramener finalement à la plage 2.

Pour se faire, la vitesse du moteur gauche va être plus importante que celle du moteur droit, lui permettant donc de tourner vers la droite et de suivre le mouvement du robot sumo cible.

Le principe est le même si le robot sumo cible recule et tourne vers la droite.

                 

Note : Le fonctionnement du suivi des robots sumo côté gauche reprend exactement les mêmes principes, nous n’avons donc pas pris la peine de le détailler.

Logigramme correspondant au suivi des robots sumo:

Note : Les valeurs numériques indiquées que vous avez pu voir sont celles que l’on a obtenues après avoir étudié les divers composants électroniques.

Ingénierie système associé au projet : architecture organique

Cet article fait suite à l’article portant sur les besoins et exigences du robot (https://projet-mecatronique-ema.blogspot.fr/2016/12/application-de-lis-pour-le-rica-iv.html).

Nous allons développer ici, les premières ébauches de notre système RICA d’un point de vue organique. C’est-à-dire, les organes et composants préliminaires du robot.

Fig.1 : Architecture organique du contexte

Nous observons sur la Figure 1, les différentes interfaces que le robot (RICA IV sur le diagramme) a avec son environnement, appelé environnement du contexte. Les connections, que l’on peut observer dans le contexte, sont d’ordre physique. Elles vont permettre de transmettre des flux d’informations ou autres. Nous développerons ceci, plus en détail, lors d’un futur l’article portant sur l’architecture fonctionnelle.

Dans ce diagramme, nous observons les différents liens avec les composants externes comme la cellule aveugle. Celle-ci doit nous transmettre, grâce à ces connections, des informations que nous pourrions exploiter avec le robot. Ces liens peuvent être assurés par des solutions matérielles ou des protocoles.

Fig.2 : Architecture organique du système RICA IV

Dans cette figure, nous observons les différentes connexions internes au système. Nous avons, ici, choisi d’inclure l’opérateur dans le système RICA IV. Ceci est justifié par son action directe sur le robot. Nous pouvons aussi observer comment l’ensemble des éléments du système est lié au robot. On remarque que l’ombilic joue un rôle essentiel. c’est lui qui assure une connexion physique et mécanique entre le robot et l’opérateur.

La décomposition est développée dans des strates inférieures, afin d’atteindre le niveau de détail le plus élevé possible. Cela va nous permettre, par la suite, de caractériser chaque composant, électronique ou mécanique du système.

Robot pousseur : Partie 2 Hardware

Le robot Zumo :

Nous avons utilisé pour simuler le comportement des robots sumos, des petit robots appelés « Robot Zumos » mesurant moins de 10cm x 10cm x 10cm et pesant moins de 300g. (https://www.pololu.com/product/2506)                                                                                                                                                                        

Ils sont équipés de deux moteurs pas à pas couplés à des chenilles permettant un déplacement lent mais aisé sur tout type de surfaces. Néanmoins l’inconvénient de sa faible vitesse n’est pas préjudiciable dans notre cas car nous vous rappelons que le robot RICA IV se déplace très doucement.

Ces moteurs sont reliés, tout comme les autres éléments présents dans le kit tels qu’un buzzer, un gyroscope ou encore une boussole, à une carte électronique sur laquelle nous avons incorporé directement une carte d’entrées/sorties (E/S). Cette carte, fournie par l’équipe pédagogique, à pour but de récupérer les informations des périphériques et  ainsi pouvoir piloter les moteurs suivants les besoins.

Les Capteurs :

Une fois le robot monté avec sa carte d’entrées/sorties, nous avons dû l’équiper avec l’ensemble des  différents types capteurs. Ceci permet à notre robot de comprendre l’environnement dans lequel il se trouve et de pouvoir l’interpréter au mieux.

Les capteurs à notre disposition étaient les suivants :

1) Capteur de distance infrarouge analogique de plage de mesure 2 à 15 cm (fig. 1)

2) Capteur de distance infrarouge analogique de plage de mesure 10 à 150 cm (fig. 2)

3) Capteur tout ou rien (TOR) infrarouge courte distance (150 mm) (fig. 3)

4) Capteur de distance ultrasons analogique de plage de mesure 2 cm à 4 m (fig. 4)

5) Capteur infrarouge TOR avec distance de détection réglable (fig. 5)

La majorité des groupes ont décidé d’utiliser les capteurs N°1 pour détecter les autres robot sumos positionnés sur les côtés. Ils sont couplés 2 à 2 pour connaître le sens marche du robot à suivre et pouvoir rester aligné à ce même robot.

Les capteurs N°2 sont utilisés pour détecter la distance entre RICA IV et le robot sumos dans le cas où ce robot est le « maître » de l’essaim. Ils sont également couplés 2 à 2 pour les mêmes raisons expliquées précédemment.

Un capteur tout ou rien (N°3) placé devant permet de savoir si un objet se trouve ou non sur sa trajectoire.

Figure 6 : Représentation du câblage des capteurs sur la carte d'E/s

Nous avons également ajouté deux interrupteurs, connectés sur des entrées non-utilisées, pour permettre de choisir le mode fonctionnement de notre robot. Comme vous avez pu voir dans l’article de présentation, les robot sumos pouvaient avoir 3 différents modes de fonctionnement RGP, RDP et RP. (Lien vers article de présentation : http://projet-mecatronique-ema.blogspot.fr/2016/12/presentation-du-projet-robot-pousseur.html)

Ainsi les combinaisons réalisées avec ces deux interrupteurs permettent au robot de savoir dans quel mode de fonctionnement il se trouve.

Un fois l’ensemble des capteurs reliés sur la carte d’E/S, nous avons connecté notre carte Arduino. Il ne reste plus qu’à piloter et configurer les différents ports de la carte Arduino. Le but est de récupérer les valeurs des capteurs et appliquer une commande en fonction des états et valeurs retournées par chacun des capteurs.

Le carénage :

Pour rendre notre robot plus robuste aux différents chocs qu’il serait amené à rencontrer dans les phases de tests et de validation. Mais aussi pour que chacun des robots soit détectable par ses homologues, chacun des groupes a choisi de réaliser une coque de protection pour le robot.

Cette réalisation a permis de mettre en œuvre dans un cas pratique le cours de CAO (Conception Assistée par Ordinateur) que nous avions suivi peu de temps avant. Les problématiques de conception étaient simples: parvenir à se fixer sur la carte d’E/S présente sur le robot et intégrer les capteurs de manière à ne pas altérer leurs fonctionnements.

De plus, la coque devait posséder une zone de réflexion pour les rayonnements infrarouges. Ceci étant indispensable pour que chaque robot puisse suivre son maître.

Tous les groupes ont réalisés leurs coques avec des imprimantes 3D présentes dans nos locaux. L’utilisation d’une telle technologie, nous a permis de réaliser rapidement des coques suffisamment résistantes pour notre utilisation à un coût dérisoire.

Dans un prochain article, nous allons détailler les manières dont nous avons géré le comportement des robots en fonction des situations auxquelles ils pourraient faire face.

Quels sont les enjeux industriels des robots pousseurs ?

Si le projet « Robots pousseurs » n’a pour l’instant qu’un aspect pédagogique, ce concept pose une réelle problématique industrielle. Les solutions technologiques que nous avons proposés au C.E.A ont suscité une réflexion et vont sûrement être le sujet de futures recherches. Mais que pense réellement le C.E.A de ce projet qui est né dans notre plateforme mécatronique ? Comment va t-il utiliser le concept des « robots pousseur » ?

La collaboration en essaim

L’une des parties les plus importantes du projet est la collaboration intelligente des robots pousseurs. Comme les abeilles d’une ruche, les robots devront être capables de se coordonner en temps réel pour réaliser un objectif commun. Cela permettra à RICA IV de se servir des robots pousseurs comme outil pour déplacer, franchir ou se débarrasser d’un obstacle dans une cellule aveugle.

Obstacle gênant dans une cellule aveugle

Exemple de scénario n°1 - Déplacement d’objet dans la cellule aveugle

Objectif : Pousser les objets gênant la trajectoire de RICA IV

Imaginons le RICA IV et sa flotte de robot pousseurs à l’intérieur d’une cellule aveugle en pleine investigation. Le sol est jonché de débris en tout genre (pièces de métal, tuyau coupés …). Le RICA est bloqué à 80 cm d’un objet à analyser par un tuyau d’acier. Avec les robots pousseurs, l’opérateur pourrait envoyer l’ordre à l’essaim de déplacer l’obstacle. Une fois l’objet dégagé, il reprend le contrôle du RICA IV pour continuer ses investigations.

Schéma du scénario n°1 – Dégagement d’obstacle

Scénario 2 - Franchissement d’obstacle

Objectif : Débloquer le RICA et ses équipements dans les situations critiques

Le RICA IV est relié à l’extérieur par un ombilic. Ce fil long de plusieurs dizaines de mètres est le transporteur de la communication entre le robot et l’extérieur de la cellule. Il permet aussi aux opérateurs d’extraire le robot en cas de panne majeure. Comme un fil d’aspirateur, l’ombilic reste cependant souvent coincé dans des objets alentours ce qui peut potentiellement provoquer l’arrêt de la mission. Les robots pousseurs pourraient directement débloquer de l’intérieur l’ombilic sans intervention humaine.

Les contraintes de conception liées à l’environnement nucléaire

Il existe plein de scénarios possibles pour justifier l’utilisation des robots pousseurs. Cependant, le milieu nucléaire apporte son lot de contraintes dans la conception mécatronique des robots. En voici quelques exemples :

1. Contraintes mécanique

Un design simple et des matériaux spécifiques

La conception mécanique du robot doit être simple et efficace pour en optimiser la maintenance. Les opérateurs sont dotés d’équipements de protection qui ne permettent pas de manipuler de trop petit objet. Le design doit être efficace pour augmenter la maintenabilité. De plus, RICA 3 utilise actuellement un matériau très spécifique : l’inox poly miroir. Ce matériau facilite le nettoyage du robot et augmente la protection aux rayonnements α, β et γ.

2. Contraintes électronique et informatique

Irradiation des circuits électroniques, thermique et Intelligence artificielle

Nous savons que ces rayonnements et les circuits électroniques ne font pas bon ménage. Les pistes du circuit imprimé peuvent être endommagées si elles sont trop exposées à une source radioactive. Concernant la thermique, le robot est hermétiquement fermé pour empêcher les particules radioactives d’y entrer. Il faut toutefois dissiper la chaleur générée par les composants électroniques pour ne pas les endommager. Enfin, la collaboration robotique est encore actuellement un sujet de recherche. L’algorithme de coopération autonome en temps réel est complexe à développer et nécessite de nombreuses compétences.  

En conclusion, les travaux menés sur les robots pousseurs nécessiteront beaucoup de recherches avant le grand saut dans une cellule aveugle. La conception de robots collaboratifs dans un milieu nucléaire ne sera pas chose facile. Néanmoins des premiers prototypes peuvent rapidement voir le jour et aider la recherche du démantèlement nucléaire. Actuellement le C.E.A a favorablement accueilli le concept et reste à l’écoute de nos propositions d’où notre récompense aux Awards des 4ème assises du démantèlement. Le projet « robot pousseur » a donc de beaux jours devant lui, surtout avec les efforts de notre deuxième promotion mécatronique.