La robotique#
Introduction#
Histoire de robots : ...
Evolution technologique de l'unité de traitement : ...
Un système technique (automatisme, robot, objet connecté (IoT), système embarqué...) peut-être représenté par sa chaîne d'information et sa chaîne d'énergie tel que :
Dans un projet de robotique, le composant à programmer est celui qui réalise la fonction traiter.
C'est dans ce domaine que les solutions ont particulièrement évolué ces dernières années :
Les progrès en automatisme industriel et en robotique sont intimmement liés aux évolutions de l'informatique générale et à celle des ordinateurs en particulier. Ce sont des branches cousines qui suivent des évolutions parallèles avec souvent un décalage temporel inhérent aux besoins de développer des solutions fiables et robustes à coût réduit.
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|---|---|---|---|
| Séquenceur à cames | Séquenceur pneumatique | Relais | Tubes à vide |
Les solutions mécaniques (cames), pneumatiques (séquenceur), électriques (relais), ont laissé la place à celles électroniques des tubes à vide, remplacés par des transistors à partir du milieu des années 1950 eux mêmes miniturisés dans des circuits intégrés (1958) et dans les microprocesseurs (1969).
Les premiers microcontrôleurs apparaisent dans les années 70, Texas Instrument, son inventeur, commercialise à partir de 1974 les TMS1000 mais c'est depuis la fin des années 90 qu'ils se sont développés de manière spectaculaire.
Un microcontrôleur est en quelque sorte un ordinateur miniaturisé et simplifié généralement dédié à une application de traitement de l'information dans un système embarqué (clavier, souris, automobile, calculatrice, électroménagé, jeux, ...) Il inclut, sur une même puce, à minima, un microprocesseur, de la mémoire ROM et RAM, une interface entrées/sorties (GPIO, General Purpose Input/Output) et selon le cas d'autres modules tels qu'un oscillateur, un convertisseur analogique numérique (CAN), un Timer, de la mémoire flash, EPROM ou EEPROM, des générateurs de signaux MLI (PWM), des controleurs de communication UART, SPI, I2C, radio, Bluetooth, Wifi...
"Flasher" ? ...
On observe sur le boitier de ce microcontrôleur la fenêtre qui permetait par insolation de rayons UV d'effacer l'EPROM, Ereasable Programmable Read Only Memory. Cette mémoire possède les mêmes propriétés que la ROM sauf que l'on peut l'effacer pour la reprogrammer. L'EPROM est accessible en lecture uniquement, et contient généralement le programme à exécuter.
C'est de là que viendrait le verbe "flasher" synonyme de téléverser un programme dans le microcontroleur.
Aujourd'hui on continue donc à "flasher" mais de l'EEPROM : Electrically Ereasable Programmable Read Only Memory.
Arduino : ...
Il était encore complexe et coûteux de mettre en œuvre un microcontrôleur au début des années 2000. L'arrivée de cartes à microcontrôleur telles que l'Arduino à partir de 2005 a grandement simplifié la chose. Cela ne nécessite alors que du matériel peu coûteux, environ 20€ pour la carte la plus populaire qu'est l'Arduino Uno R3 basée sur l'ATmega328. Un simple PC suffit pour le développement du programme en langage C.
Raspberry PI : ...
En 2012 l'ordinateur à carte unique Raspberry PI, un Single Board Computer low cost, avec son GPIO vient concurrencer les cartes à microcontrôleur pour des applications qui requièrent un interfaçage vers des appareils simples mais avec plus de capacité de calcul. Le langage de programmation privilégié sur cette plateforme est Python.
Le processeur du Raspberry PI est également monté sur une puce (SoC) plus coûteux et énergivore qu'un simple microcontrôleur il intègre plus de fonctionnalités : MCU vs SOC.
MicrPython : ...
Depuis 2013, l'augmentation des capacités de certains microcontrôleur permet de les programmer également en MicroPython une version allégée de Python 3 créée par Damien George
C'est le cas des cartes BBC micro:bit V1 et V2, du Circuit Playground Express (CPX), des ESP8266 et ESP32.
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|---|---|---|---|
| BBC micro:bit | Wemos ESP8266 | Adafruit CPX | Wemos ESP32 |
Les microcontrôleurs sont donc devenus des composants électronique incontournables, modifiant profondément la manière de concevoir les circuits électroniques des systèmes embarqués et des objets connectés.
" Les objets qui sont dotés d'un microcontrôleur embarqué, éventuellement en réseau, deviennent enchantés de la même façon que les objets des mondes magiques : il suffit de leur donner des ordres. Comme dans les histoires de magie, il est impératif d'apprendre comment réalise les incantations pour que les objets enchantés se plient à votre volonté.
Et c'est ici qu'entre en jeu le langage MicroPython "
Extrait du livre de Nicholas H. Tollervey, Programming with MicroPython.
Autres cartes : ...
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|---|---|---|---|---|
| CALLIOPE | m5stack | HALOCODE | Tiny 2040 | Raspberry Pi Pico |
Sortie en novembre 2020, le Raspberry Pi 400 inclut un ordinateur complet dans un clavier. Cette idée n'est pas nouvelle, elle s'inspire des machines des années 80 telles que le BBC micro :
Le Nouveau Raspberry Pi 400 : un mini-ordinateur dans un clavier !
Applications sur BBC micro:bit#
Prérequis : Savoir programmer un BBC micro:bit
Le point de vue du programmeur en robotique concerne donc l'unité de traitement qui reçoit des informations électriques en entrées et en émet en sortie :
Les broches
Il y a 25 connecteurs en cuivre sur la tranche du bas de la carte BBC micro:bit. Ce sont des Entrées/Sorties qui permettent au micro:bit d'interagir avec son environnement en s'y connectant physiquement.
Le BBC micro:bit dispose de 19 broches qui peuvent être utiliser en tant que :
- sortie pour faire fonctionner des actionneurs tels qu'une LED, un moteur ou encore un buzzer...
- entrée logique pour faire fonctionner des capteurs tels qu'une fourche optique, un Interrupteur à Lame Souple, un contact de fin de course, un bouton poussoir...
Chacunes est associées à un objet pinN, instance de la class pin, ou Ncorrespond au numéro attribué à la broche de 0 à 16 ainsi que 19 et 20.
Partage de broches
Si ces broches sont utilisées en tant qu'entrée/sortie externes alors leurs autres fonctionnalités internes potentielles ne seront pas disponibles simultannément.
Par exemple les broches pin3, pin4, pin6, pin7, pin9 et pin10 sont également raccordées à la matrice de LEDs, il faudra donc désactiver l'affichage afin de les libérer pour autre chose : microbit.display.off().
Raccordement
Pour pouvoir utiliser ces broches il faut les raccorder physiquement à d'autres composants électoniques par l'intermédiaire de fils à connecteur bannane ou à pince crocodile ou encore avec des straps sur une platine d'essais via un connecteur...
Sortie logique#
Tout Ou Rien (TOR), digital output : ...
Les niveaux électriques des broches du BBC micro:bit ne peuvent être mis qu'à \(0\;\mathrm{V}\) ou à \(3,3\;\mathrm{V}\). Ce qui correspond respectivement aux valeurs 0 ou 1 :
- mettre la broche
Nau potentiel \(0\;\mathrm{V}\) :pinN.write_digital(0) - mettre la broche
Nau potentiel \(3,3\;\mathrm{V}\) :pinN.write_digital(1)
Application : Hello World ! spécial robotique
Hello world ! ? ...
Le premier programme que réalise tout apprenti informaticien est le fameux Hello World!... Celà permet avec un programme minimal de prendre en main un langage et surtout de s'assurer du bon fonctionnement de l'environnement de développement choisi IDE.
Raccorder une LED sur la sortie P0 tel que sur les circuit et schéma ci-dessous puis programmer un allumage alternatif à la fréquence de 1Hz.
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|---|---|
| Circuit | Schéma |
Gérer le temps : ...
La fonction sleep(t) met en pause l’exécution pendant t millisecondes.
Exemple : sleep(1000) suspend l’exécution pendant 1 seconde.
Répéter indéfiniment : ...
Les instructions placées dans une boucle while True : seront répétées tant que le microcontrôleur restera sous tension.
Limiter le courant dans la LED
- Sachant que la sortie
P0délivre au maximum une tension de \(3,3\;\mathrm{V}\), calculer la résistance R1 minimale afin de limiter le courant dans la LED à \(20\;\mathrm{mA}\) pour une tension de \(2\;\mathrm{V}\) à ses bornes.
Réponse : ...
Les lois d'Ohm et de Kirchhoff permettent d'écrire :
soit :
- La valeur réelle retenue pour la résistance R1 est ici de \(220\;\mathrm{\Omega}\), en déduire l'intensité du courant dans la LED.
Réponse : ...
Courant et tension aux bornes d'une LED : ...
En fait, c'est un peu plus compliqué car la tension aux bornes d'une LED n'est pas fixe et égal à \(2\;\mathrm{V}\) mais elle varie également en fonction du courant et du type de LED :
Ainsi, pour une LED rouge \(U_{LED} = {{(1,93-1,55)}\over{(20-1)}} \times I + 1,53 = 0,02 \times I + 1,53\)
Et donc \(U_{P0} = R_1 \times I + 0,02 \times I + 1,53\)
Soit \( I = {{U_{P0} - 1,53} \over {R_1 + 0,02}} = {{3,3 - 1,53} \over {220 + 0,02}} \approx 8 \;\mathrm{mA}\)
Solution de programme MicroPython
from microbit import *
while True:
pin0.write_digital(1)
sleep(500)
pin0.write_digital(0)
sleep(500)
Sortie pseudo-analogique#
Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI), Pulse Width Modulation (PWM), analog output : ...
Même si les broches du BBC micro:bit ne peuvent être mises qu'aux potentiels \(0\;\mathrm{V}\) ou \(3,3\;\mathrm{V}\), il est possible de faire croire au composant raccordé qu'il est alimenté sous une tension comprise entre \(0\;\mathrm{V}\) et \(3,3\;\mathrm{V}\).
La technique s'appelle la Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI), Pulse Width Modulation (PWM) en Anglais.
Le principe consiste à générer un signal pseudo-périodique qui met à 1 la sortie sur une portion (\(t_h\)) de la période (\(T\)) du signal.
On appelle rapport cyclique le ratio \(\alpha = {t_h \over T}\). Ainsi le composant connecté à une sortie PWM aura l'impression d'être alimenter en moyenne sous une tension telle que \(V_{MOY} = \alpha \times 3,3\)
Ainsi, dans l'instruction suivante valeur est telle que \(\alpha = {{valeur \times 100} \over 1023}\). Une valeur à 0 correspond à \(\alpha = 0\)% et à une tension de \(0\;\mathrm{V}\) en sortie, une valeur à 511 correspond à \(\alpha = 50\)% et à une tension de \(1,65\;\mathrm{V}\) en sortie et une valeur à 1023 correspond à \(\alpha = 100\)% et à une tension de \(3,3\;\mathrm{V}\) en sortie.
pinN.write_analog(valeur)
Régler la pseudo-période du signal PWM : ...
La durée de la pseudo-période est choisie suffisamment petite par rapport au temps de réaction de l'oeil humain dans le cas d'une LED ou, de l'inertie du composant électrique piloté par cette broche dans le cas d'un moteur par exemple.
Il est possible de régler la pseudo-période du signal PWM,
- soit en millisecondes (1ms minimum) :
set_analog_period(period)
- soit en microseconde (254µs minimum) :
set_analog_period(period)
Attention
Le BBC micro:bit ne peux gérer qu'un maximum de trois sorties en PWM simultannément.
Application : variation d'intensité
Raccorder une LED sur la sortie P0 et programmer un allumage progressif en intensité sur 5 secondes à partir de l'initialisation de la carte ( = une rampe de démarrage). Puis la LED s'éteint instantannément après 6 secondes...
Répéter X fois : ...
Les instructions placées dans une boucle for valeur in range(256) : seront répétées 256 fois et la variable de boucle valeur prendra successivement les valeurs de 0 à 255.
Il faut appuyer sur le bouton Reset pour réinitialiser la carte.
Solution de programme MicroPython
from microbit import *
for intensite in range(1024) :
pin0.write_analog(intensite)
sleep(5000/1024)
sleep(1000)
pin0.write_digital(0)
Piloter des Moteurs#
Régler la vitesse et le sens : ...
La fréquence de rotation d'un moteur à courant continu dépendant de sa tension d'alimentation, une sortie pseudo-analogique permet de régler sa vitesse par Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI).
pin0.write_analog(vitesse) # avec vitesse allant de 0 à 1023
Une sortie logique permet de commander son sens de rotation qui dépend de la polarité de son alimentation.
pin8.write_digital(sens) # sens = 0 => avance, sens = 1 => recule
Pont en H : ...
Le circuit électrique nommé "pont en H" permet d'inverser la polarité de l'alimentation d'un moteur tel que représenté ci-dessus.
Le Bit:Bot et le Robot:Bit MK3 dispose comme la carte Motor:Bit d'un circuit intégrer (TB6612) à double pont en H permettant d'alimenter notamment deux Moteurs à Courant Continu (MCC).
Application : piloter un moteur
Enficher une carte BBC micro:bit dans un Bit:Bot, un Robot:Bit MK3 ou une carte Motor:Bit afin de programmer une séquence de rotation du moteur gauche pour une durée de 2 secondes vers l'avant puis 2 seconde vers l'arrière à une vistesse "moyenne".
Fonction : ...
Une fonction permet de regrouper des instructions pour les rappeler eensuite à loisir dans un programme avec éventuellement des paramètres variables :
from microbit import *
def avance(vitesse, duree) :
pin0.write_analog(vitesse)
pin8.write_digital(0)
sleep(duree)
avance(23, 1000)
avance(223,1000)
avance(423, 1000)
avance(623, 1000)
avance(823, 1000)
avance(1023, 1000)
avance(0, 1)
Expérimenter ce code puis compléter le d'une fonction recule(vitesse, duree)
Solution de programme MicroPython
from microbit import *
On observe qu'en reculant, pin0.write_analog(0) produit la plus grande vitesse
Application : piloter deux moteurs
Rechercher dans la documentation du Bit:Bot, du Robot:Bit MK3 ou de la carte Motor:Bit les n° de broches permettant de piloter le moteur de droite afin de compléter votre programme pour faire avancer puis reculer le robot alternativement pour une durée de 2 secondes à vitesse "moyenne".
Solution de programme MicroPython
from microbit import *
Application : tourner
Ajouter de nouvelles fonctions ou modifier les précédentes pour que votre robot puisse aussi tourner à droite comme à gauche selon un programme.
Solution de programme MicroPython
from microbit import *
Que fait le programme ci-dessous ? L'expliquer en complétant les commentaires ...
from microbit import *
# ...
def piloter(gaughe,droite) :
# ...
pin8.write_digital(0)
pin12.write_digital(0)
# ...
if gauche < 0 :
pin8.write_digital(1)
gauche = 1023 + gauche
# ...
if droite < 0 :
pin12.write_digital(1)
droite = 1023 + droite
# ...
pin0.write_analog(gauche)
pin1.write_analog(droite)
while True:
# ...
pilote(800,800)
sleep(1000)
# ...
pilote(0,0)
sleep(1000)
# ...
pilote(-800,-800)
sleep(1000)
# ...
pilote(0,0)
sleep(1000)
# ...
pilote(400,800)
sleep(1000)
# ...
pilote(0,0)
sleep(1000)
# ...
pilote(800,0)
sleep(1000)
Entrée logique#
Tout Ou Rien (TOR), digital input : ...
On peut connaitre l’état d’une entrée logique avec la méthode read_digital() qui retourne un entier égal à 0 si le niveau de tension sur l'entrée est bas ou 1 si le niveau de tension sur l'entrée est haut.
pinN.read_digital()
Application : ...
Raccorder une LED sur la sortie P0 et programmer l'intensité de son allumage par paliers progressifs de sorte que quatres impulsions successives sur l'entrée A conduisent à l'éclairage maximal. Tandis qu'une impulsion sur le bouton B provoque l'extinction totale de la LED.
Boutons poussoirs A et B : ...
Les boutons poussoirs repérés A et B sur la carte BBC micro:bit sont raccordés respectivement aux broches 5 et 11.
Variables : ...
Les variables permettent de mémoriser et de faire évoluer des valeurs (ou des états) au cours d'un programme.
L'instruction suivante permet d'initialiser une variable, c'est à dire, la déclarer, lui affecter une valeur initiale et donc un type (int, str, float, bool, ...):
niveau = 0 # => type = integer
niveau += pas est équivalente à l'instruction niveau = niveau + pas ce qui permet d'incrémenter (d'augmenter) la variable de la valeur d'un pas.
Structures conditionnelles : ...
if condition_1 :
instruction_1
elif condition_2 :
instruction_2
else :
instruction_3
Les instructions 1, 2 ou 3 ne seront exécutées que selon l'état vrai (True) ou faux (False) des conditions 1 ou 2.
Les opérateurs de comparaison permettent de faire des tests conditionnels : ...
| Symbole | Opération |
|---|---|
| == | égal |
| != | différent |
| < | inférieur |
| > | supérieur |
| <= | inférieur ou égal |
| >= | supérieur ou égal |
Les opérateurs booléens and, or, not, permettent de combiner des conditions : ...
Solution de programme MicroPython
from microbit import *
niveau = 0
while True :
if pin5.read_digital() and niveau < 1024 :
niveau += 256
if pin11.read_digital()
niveau = 0
pin0.write_analog(niveau - 1)
sleep(500)
Entrée analogique#
Tout Ou Rien (TOR), digital input : ...
Le microcontroleur du BBC micro:bit contient un Convertisseur Analogique Numérique (CAN), Analogue to Digital Converter (ADC) en Anglais, dont la résolution est de 10bits. Il convertit proportionnelement un niveau de tension variant de 0 à 3,3V en une valeur entière comprise entre 0 et 1023. La plus petite variation de tension que l'on peut mesurer est donc égale au \(quantum = {3,3 \over 1023} = 3,2 mV\)
Le BBC micro:bit possède 6 broches sur lesquels on peut lire une valeur d'entrée analogique.
Elles sont représentés par les instances pin0, pin1, pin2, pin3, pin4, pin10.
La méthode read_analog() renvoie une valeur entière correspondante au niveau de tension mesuré :
pinN.read_analog()
Application : ...
Raccorder une LED sur la sortie P0 et un potentiomètre sur l'entrée P1 et programmer le niveau d'intensité lumineuse de la LED selon le réglage de la position du potentiomètre...
Solution de programme MicroPython
from microbit import *
while True :
pin0.write_analog(pin1.read_analog())
sleep(50)
Interface Homme Machine#
Une IHM permet à l'utilisateur d'interagir avec un système.
Carte BBC micro:bit#
Ainsi, la carte BBC, peut, par exemple, recevoir des consignes via les boutons poussoirs A et B et communiquer des informations en les affichant sur la matrice de 25 LEDs...
Application : diriger un robot roulant
Enficher une carte BBC micro:bit dans un Bit:Bot ou un Robot:Bit MK3 afin de programmer le robot pour qu'il avance en tournant à gauche si l'on appuie sur le bouton A, qu'il avance en tournant à droite si l'on appuie sur le bouton B, qu'il avance tout droit si l'on appuie à la fois sur les boutons A et B.
Logique booléenne ...
Manette#
Les extensions Joystick_bit comme Bit:Commander permettent de recevoir une carte BBC micro:bit pour étendre ses fonctionnalitées d'IHM.
Que fait le programme ci-dessous ? L'expliquer en complétant les commentaires ...
# ...
from microbit import *
import music
import neopixel
# ...
leds_colorees = neopixel.NeoPixel(pin13, 6)
# ...
rouge = (64,0,0)
vert = (0,64,0)
bleu = (0,0,64)
noir = (0,0,0)
# ...
def allumer_toutes(couleur):
for led in range(0, len(leds_colorees)):
leds_colorees[led] = couleur
leds_colorees.show()
# ...
def balayer(couleur, duree):
for led in range(0, len(leds_colorees)):
leds_colorees[led] = couleur
leds_colorees.show()
sleep(duree)
# ...
def lire_joystick():
return pin1.read_analog(), pin2.read_analog(), pin8.read_digital()
# ...
def lire_pad():
# rouge, bleu, vert, jaune
broches_pad = [pin12,pin15,pin14,pin16]
return [broche.read_digital() for broche in broches_pad]
# ...
def lire_potentiometre():
return pin0.read_analog()
# ...
def play_tune():
music.play(music.BADDY)
pin0.read_digital()
# ...
allumer_toutes(rouge)
# ...
play_tune()
# ...
balayer(bleu,250)
# ...
while True:
x,y,j = lire_joystick()
boutons = lire_pad()
potentiel = lire_potentiometre()
print(x,y, j, boutons, potentiel) # Où peut-on visualiser cet affichage ?
sleep(20)
Communication avec BBC micro:bit#
Lorsqu'elle est programmée en MicroPython, la carte BBC micro:bit permet d'établir une communication filaire avec, par exemple, un PC via un moniteur série (application Putty) ou une console REPL (éditeur Mu).
Mais il est également possible d'établir une communication sans fil entre deux cartes BBC micro:bit avec le module radio de MicroPython.
Projet de robot#
Que font les deux programmes ci-dessous ? L'expliquer en complétant les commentaires ...
# Bit:Commander # ...
# ...
from microbit import *
import radio
# ...
canal = 10
radio.config(channel=canal)
radio.on()
# ...
while True:
av = pin12.read_digital()
ar = pin14.read_digital()
dx = pin1.read_analog()
if av and dx < 150:
# ...
display.show(Image.ARROW_NW)
radio.send("NO")
elif av and dx>850:
# ...
display.show(Image.ARROW_NE)
radio.send("NE")
elif ar and dx<150:
# ...
display.show(Image.ARROW_SW)
radio.send("SO")
elif ar and dx>850:
# ...
display.show(Image.ARROW_SE)
radio.send("SE")
elif ar:
# ...
display.show(Image.ARROW_S)
radio.send("S")
elif av:
# ...
display.show(Image.ARROW_N)
radio.send("N")
sleep(20)
# Bit:Bot ou Robo:Bit MK3 # ...
# ...
from microbit import *
import radio
# ...
canal = 10
radio.config(channel=canal)
radio.on()
# ...
def piloter(gauche,droite):
pin8.write_digital(0)
pin12.write_digital(0)
if gauche<0:
pin8.write_digital(1)
gauche = 1023 + gauche
if droite<0:
droite = 1023 + droite
pin12.write_digital(1)
pin0.write_analog(gauche)
pin1.write_analog(droite)
# ...
while True:
# ...
message = radio.receive()
# ...
if message is not None :
if message == "N" :
piloter(800,800)
elif message == "S" :
piloter(-800,-800)
elif message == "NE" :
piloter(800,200)
elif message == "NO" :
piloter(200,800)
elif message == "SE" :
piloter(-800,-200)
elif message == "SO" :
piloter(-200,-800)
# ...
else:
piloter(0,0)
sleep(20)