Robot piloté par radar

Ce robot évolue un peu à la manière de la chauve-souris qui perçoit et évite les obstacles environnants grâce à l’émission périodique d’ultrasons. Il est équipé polir cela d’un radar ultrasonique.

Ce radar est capable de déceler les éléments pouvant empêcher son avance et situés dans un rayon d’une trentaine de centimètres environ. Cette détection le fera aussitôt changer de direction.

Rappel sur les ultrasons

Les ultrasons sont des sons inaudibles à l’oreille humaine. Ils se comportent comme les sons audibles.

Comme les sons, leur vitesse V de propagation dans l’air à 20°C est de 330 mis. Il en résulte une longueur d’onde (distance métrique séparant deux sommets consécutifs dé la sinusoïde représentative du signal) de:
λ =VxT
= 330 m/s x 25 x 10^-6
= 8,25 x 10^-3, soit environ 8 mm.
Le principe mis en œuvre dans le radar ultrasonique consiste à envoyer périodiquement un train d’ondes très bref et à mesurer la durée qui s’écoule entre l’instant de son émission et celui de sa réception après réflexion sur un obstacle.
Cette mesure permet de déduire la distance séparant le radar de l’obstacle.

Fonctionnement

Alimentations

Le montage comporte trois alimentations séparées:
– une alimentation assurée par une pile de 9 volts destinée au fonctionnement de la partie relative au pilotage du robot
– deux alimentations de 3 volts, constituées chacune par un groupement de deux piles LR6 de 1,5 volt et destinées au fonctionnement des deux moteurs de propulsion (figure 1). L’interrupteur 1 permet la mise en service de l’alimentation de 9 volts. Le condensateur C1 fait office de capacité de découplage et la led verte L 1 , dont le courant est limité par R1, signalise la mise sous tension du montage.
La consommation avoisine 10 mA.

Base de temps générale

Le circuit intégré référencé IC5 est un NE 555. Il s’agit d’un timer qui délivre sur sa sortie (3) un signal rectangulaire caractérisé par une période T de :
T = 0,7 x (A 1 + 2 R3) x C3
Grâce à l’ajustable A1, il est possible de régler cette période dans un intervalle de 1,5 à 8 secondes. La position médiane du curseur de l’ajustable permet d’obtenir une période de l’ordre de 5 secondes.
Une autre valeur caractérise ce signal : le rapport cyclique. Ce rapport donne une idée de la relativité de la durée de l’état « bas » par rapport à celle de l’état « haut » dans une période. Il s’exprime par la relation:

Pour une période de 5 secondes, ce rapport est de 0,15.
La porte NAND 1 de IC1 inverse ce signal. Il en résulte, sur sa sortie, des états « haut» d’une durée d’environ 0,7 seconde et des états « bas» dont la durée, plus importante, est réglable par l’intermédiaire de l’ajustable A1.

Émission ultrasonique

Les portes NOR III et IV de IC3 forment une bascule monostable. Pour chaque front montant issu de la sortie de la porte NAND 1 de IC1, cette bascule délivre sur sa sortie un état « haut » , d’une durée de 330 µs, qui active l’oscillateur astable commandé, formé par les portes NAND III et IV de IC1. Ce dernier présente alors sur sa sortie un train de signaux carrés caractérisés par une période de 25 µs pendant la même durée de 330 µs. La période du signal est réglable à 25 µs par le biais du curseur de l’ajustable A4.
La porte NAND Il de IC1 inverse ces signaux si bien, qu’aux bornes de la capsule ultrasonique émettrice (photo A), respectivement reliée aux entrées et à la sortie de cette même porte, on relève un signal présentant une allure proche de la sinusoïde et dont l’amplitude est de 18 volts, ce qui augmente la puissance du train d’ondes émis.
Compte tenu de la durée de l’émission, le nombre de périodes du train d’ondes est de :
N = 330/25, soit 13.
Cela correspond à une longueur du train de 13 x λ, soit environ 100 mm.

Réception de l’écho ultrasonique

L’ensemble T1, R6 et R18 constitue un étage de préamplification du signal réfléchi par un obstacle éventuel et capté par la capsule ultrasonique réceptrice. Ce signal est ensuite transmis par l’intermédiaire de Cg à l’entrée inverseuse d’un ampli-op contenu dans IC6. La sortie (6) pré-sente un signal dont le silence correspond à un potentiel continu de 4,5 volts, grâce à la présence du pont diviseur R7/R8 qui soumet l’entrée directe à ce même potentiel. Par l’intermédiaire de l’ajustable A2, il est possible de régler le coefficient d’amplification de cet étage.
Le transistor PNP/T4 a sa base polarisée de manière telle qu’en l’absence de signaux, il présente un potentiel nul sur son collecteur. En revanche, en cas de présence d’un signal ultrasonique réfléchi par un obstacle, on relève un état « haut” de type ondulé au niveau du collecteur.
Ce signal existe pour toutes les réflexions ultrasoniques perçues par la capsule réceptrice, y compris éventuellement celles qui correspondent à des obstacles plus lointains. Par ailleurs, on note également la présence de ce signal dès le début de l’émission du train d’ondes et tant que la queue de ce dernier n’a pas quitté la région émettrice.
Dans les deux cas, ces signaux sont indésirables. Il est donc nécessaire de paramétrer les conditions de validation des signaux réfléchis perçus par le circuit récepteur.

Validation des signaux issus du récepteur

Les portes NOR 1 et Il de IC3 constituent une bascule RIS (Reset/Set). Toute impulsion positive présentée sur l’entrée (1) a pour effet de faire passer la sortie (2/4) à un état « haut» stabilisé. De même, toute impulsion positive sur l’entrée (6) a pour conséquence de faire repasser la sortie (2/4) à son état « bas » stabilisé de repos. La sortie (3/5) présente, bien entendu, la situation binaire inverse: – état « bas” dès le début de l’impulsion positive issue de la bascule monostable NOR III et IV de IC3
– état « haut” lorsqu’un état « haut” se trouve présenté sur l’entrée (6).
Le circuit IC? est un compteur binaire de quatorze étages à oscillateur inté-gré. Dès que son entrée « Reset » (12) est soumise à un état « bas ». le compteur prend son départ. En particulier, on relève sur sa sortie Q4 un signal carré caractérisé par une période de l’ordre de 300 µs, réglable grâce au curseur de l’ajustable A5. Ce signal attaque l’entrée « Horloge» de IC8 qui est un compteur-décodeur décimal. Lui aussi est opérationnel étant donné que son entrée « RAZ » (15) est également soumise à un état « bas». Il démarre donc, à son tour, au rythme des fronts montants présentés sur l’entrée « Horloge ».
On notera que tant que l’état « haut» se trouve sur les sorties SO et S1 de ce compteur, le point commun des cathodes des quatre diodes D1 à D4 est à l’état « bas ». Il passe à l’état « haut” pour les positions S2 à S5 du compteur.
Enfin, dès que le compteur passe sur la position S6, la bascule RIS est désactivée et les entrées « Reset » de IC8 et « RAZ» de IC8 sont de nouveau soumises à un état « haut », ce qui occasionne leurs remises à zéro et leurs blocages.

En définitive et compte tenu des valeurs de la période de base de IC7, on relève:
– un état « bas» sur le point commun des cathodes D1 à D4 lors des quatre cents premières microsecondes de l’émission du train d’ondes.
– un état « haut» pendant les 1 ,2 ms suivantes
– un état « haut» par la suite.
Ce point commun des cathodes est relié à l’entrée (2) de la porte NAND 1 de IC2. Celle-ci ne transmet les signaux issus du collecteur de T4 que pour les états « haut” disponibles sur le point commun des cathodes des diodes.
Cette validation répond ainsi aux règles suivantes:
• Non prise en compte des signaux issus de T 4 pendant les quatre cents premières microsecondes, ce qui correspond à un déplacement du train d’ondes de :
330 m/s x 400 x 10^-6/2 = 66 x 10^-3, soit 66 mm (1).
Cette disposition élimine donc la prise en compte de la queue du train d’onde.
• Prise en compte des signaux issus de T4 lors des 1,2 ms plus tard.
La distance minimale que le radar est capable de mesurer est donc de 130 mm et la distance maximale de (1,2 + 0,4) ms x 330 m/s/2, soit environ 27 cm (1).
(1) Il convient en effet de diviser le résultat par deux étant donné que la durée séparant la réception de l’émission correspond. en fait à un aller et un retour de l’onde.

Mémorisation de la détection d’un obstacle

Les signaux positifs issus du collecteur de T4, une fois leur validité reconnue, se manifestent sur la sortie de la porte NANO 1 de IC2 par un état « bas » de durée relativement brève. Cet état « bas ” est aussitôt pris en compte par la bascule monostable formée par les portes NANO III et IV de IC2.
Sur la sortie, on note alors l’apparition d’un état ce bas ” dont la durée dépend essentiellement de la position angulaire de l’ajustable A3. Cette durée est réglable de 0 à 7 secondes. La porte NANO Il de IC2 inverse cet état « bas» en état « haut ».
Pendant l’activation de la bascule monostable, la led rouge dont le courant est limité par R2, s’allume.

Logique de commande des moteurs de propulsion

Le circuit IC9 est également un compteur-décodeur décimal. Il avance d’un pas lors de chaque front montant délivré par la sortie de la porte NAND I de IC1. Du fait de la liaison S2-RAZ par l’intermédiaire de la diode 05, le compteur est systématiquement remis à 0 une fois la position 81 dépassée. En définitive, ce compteur ne peut occuper que les positions S0 ou S1. Lors de la mise sous tension du montage, la capacité C6 se charge à travers R10.
Il s’en suit l’apparition d’un bref état « haut» sur l’armature négative de C6. Ce qui, par le biais de D6, initialise le compteur sur 80 et l’empêche d’occuper au hasard une position supérieure à S2.
En règle générale et tant qu’aucun obstacle n’est détecté, la sortie de la bascule monostable évoquée au paragraphe précédent, présente un état « haut permanent. Étant donné que cette sortie est respectivement reliée aux entrées (12) et (9) des portes NOR IV et III de IC4, les sorties de ces dernières présentent un état « bas ».
Sur les sorties des portes NOR 1 et Il de IC4, on relève alors:
– un état « bas » lors des états « haut » présentés par la sortie de la porte NANO 1 de IC1 (rappelons que la durée correspondante est relative¬ment faible: de l’ordre de 0,7 seconde),
– un état « haut» lors des états « bas» présentés par la sortie de la même porte NANO (la durée correspondante est de l’ordre de quelques secondes, suivant la position angulaire du curseur de l’ajustable A1)
En revanche, si un obstacle a été détecté, lès entrées (12) et (9) des portes NOR IV et III de IC4 sont sou-mises à un état « bas ». Suivant que l’état « haut» se trouve disponible sur 80 ou sur 81 de IC9, les sorties des deux portes NOR présentent alternativement soit un état «haut», soit un état « bas» lors des périodes actives correspondant à un état « bas » issu de la porte NANO 1 de IC1.

En définitive, la sortie de la porte NOR 1 de IC4 qui correspond à la commande du moteur de propulsion gauche:
– présente périodiquement un état « haut» actif lors d’états « bas » de plusieurs secondes issus de la porte NANO 1 de IC1 tant qu’aucun obstacle n’est détecté
– présente un état « haut » actif lors d’états « bas» de plusieurs secondes issus de la porte NANO 1 de IC1, une fois sur deux seulement, dès qu’un obstacle se trouve détecté.
La même règle s’applique à la sortie de la porte NOR Il de IC4 qui correspond à la commande du moteur de propulsion droit, avec simplement une opposition de phase.

Commande des moteurs de propulsion

Prenons, à titre d’exemple, le moteur droit (photo B).
Lorsque la sortie de la porte NOR Il de IC4 présente un état « haut », il est possible de prélever, au niveau du curseur de l’ajustable A6, un potentiel allant de 0 à 4,5 volts suivant sa posi-tion angulaire.
Les transistors T2 et T5 constituent un Oarlington.
Rappelons qu’un tel montage, encore appelé « montage suiveur de potentiel », réalise une forte amplification en courant.
On relève alors, au niveau de l’émetteur de T5, un potentiel théorique réglable de 0 à 4,5 V – 1,2 V, soit 3,3 V (la valeur de 1,2 V correspond à l’addition des deux potentiels de jonction base-émetteur de T2 et T5).
En définitive et grâce à la présence de l’ajustable A6, il est possible de régler la vitesse de rotation du moteur de propulsion droit.
Bien entendu, le même principe s’ap-plique à la commande du moteur de propulsion gauche dont la vitesse est réglable par le biais du curseur de l’ajustable A7.

Évolution du robot

Compte tenu de la logique de commande des moteurs de propulsion évoquée ci-dessus, le robot:
– avance suivant une ligne droite pendant des durées actives de quelques secondes (réglables grâce à l’ajustable A1), entrecoupées d’arrêts de 0,7 seconde, tant qu’aucun obstacle ne se trouve détecté,
– alterne les virages à gauche et à droite, dès la détection d’un obstacle. L’importance du virage dépend de la position angulaire du curseur de l’ajustable A3. Nous en reparlerons dans le paragraphe consacré aux réglages.

Réalisation pratique

Mise en place des composants

Le circuit imprimé est représenté en figure 2. Il appelle peu de remarques. Quant à l’implantation des composants, elle fait l’objet de la figure 3. Après la mise en place des straps, on implantera les diodes, les résistances, les supports de circuits intégrés et les capacités. On terminera par les composants de plus grandes hauteurs et davantage volumineux. Attention au respect de l’orientation des composants polarisés tels que les capacités électrolytiques, les diodes, les leds, les transistors et les circuits intégrés. Dans un premier temps, tous les curseurs des ajustables seront à placer dans leur position médiane.

Nomenclature

Résistances ±5% – 1/4 W
13 straps (3 horizontaux, 10 verticaux)
R1 et R2 : 1,5 kΩ (marron, vert, rouge)
R3 : 10 kΩ (marron, noir, orange)
R4: 4,7 kΩ (iaune, violet, rouge)
R5 à R12 : 10 kΩ (marron, noir, orange)
R13 : 22 kΩ (rouge, rouge, orange)
R14 à R16 : 100 kΩ (marron, noir, jaune)
R17 : 47 kΩ (iaune, violet, orange)
R18 : 1 MΩ (marron, noir, vert)
R19 et R20 : 1 kΩ (marron, noir, rouge)
A1 à A3 : ajustables 100 kΩ
A4 et A5 : ajustables 22 kΩ
A6 et A7 : ajustables 10 kQ
Condensateurs
C1 et C2 : 0, 1 µF
C3 et C4 : 1 00 µF /10 V
C5: 47 pF
C6 : 22 µF / 10 V
C7 à C10 : 10 nF
C11 à C13: 470 pF
C14: 1 nF
C15 et C16: 2,2 µF

Semiconducteurs
T1 à T3 : BC 547
T4: BC 557
T5 et T6 : BD 139
IC1 et IC2 : CO 4011
IC3 et IC4 : CD 4001 IC5: NE 555
IC6: LM 741
IC7: CD 4060
IC8 et IC9 : CD 4017
(compteur – décodeur décimal)
D1 à D6 : 1 N 4148
L1 : led verte 0 3 mm
L2 : led rouge 0 3 mm
Divers
2 supports 8 broches
4 supports 14 broches
3 supports 16 broches
Capsule émettrice US – 40 kHz
Capsule réceptrice US – 40 kHz 4 picots
1 : Interrupteur monopolaire (dual in line)
Pile 9 volts alcaline
Coupleur pression pour pile 9 volts
4 piles 1,5 volt – LR6
2 coupleurs pour 2 piles LR6

Partie mécanique

Il existe dans le commerce des ensembles comportant un moteur et un train d’engrenages réducteurs. Les moteurs fonctionnent à partir d’alimentations continues allant de 0,8 à 3 volts. Rappelons que ces moteurs tournent dans un sens ou dans l’autre suivant la polarité appliquée aux bornes d’alimentation.
Lors de la construction du robot, il convient de prévoir un endroit où loger les piles d’alimentation. Une roue pivotante (photo C) est à installer à l’avant du véhicule afin de permettre au robot d’effectuer les virages par simple arrêt de l’un ou de l’autre des deux moteurs de propulsion.

Mises au point

Les réglages consistent essentielle-ment à agir sur les curseurs des différents ajustables pour aboutir à un fonctionnement optimal du robot. Ajustable A 1
Cet ajustable permet de déterminer les durées des avances périodiques du robot. Elles sont réglables de 1 à 8 secondes.
La durée augmente si on tourne le curseur dans le sens horaire. Une valeur de l’ordre de 3 à 4 secondes convient généralement.
Ajustable A4
Il est affecté au réglage de la fréquence des signaux ultrasoniques émis. Une valeur de 25 µs de période est à obtenir pour un rendement optimal de l’émission.
Si l’on dispose d’un oscilloscope, le réglage est simple. Sinon, on placera le curseur dans une position voisine de celle qui est repérable sur la photographie du module. La période augmente si l’on tourne le curseur dans le sens horaire.
Ajustable A2
Cet ajustable permet de régler le degré d’amplification du récepteur ultrasonique. Si le coefficient d’amplification est trop important, on relèvera sur le collecteur de T4 des impulsions positives pratiquement permanentes. Ceci est, bien sûr, à proscrire. L’expérience montre que le coefficient d’amplification doit être relative¬ment modeste, ce qui revient à placer le curseur dans une position angulaire relativement proche du minimum, c’est-à-dire vers la gauche, sens antihoraire. Ce réglage peut éventuelle-ment être repris par la suite. Il conviendra alors d’obtenir l’allumage de la led rouge pour une distance de l’ordre de 20 à 30 cm par rapport à un obstacle.
Ajustable A5
Il s’agit du réglage de la fenêtre de paramétrage de la validation des échos reçus. Lors des périodes actives du compteur IC7, on doit relever sur la sortie Q4 (7) un signal carré de 300 us. Le réglage est simple à l’aide d’un oscilloscope. À défaut, on se rapprochera de la position du curseur visible sur la photographie. La période augmente si l’on tourne le curseur dans le sens horaire. Une autre manière de régler consiste à obtenir sur les broches reliées (2/4) de IC3 des états « haut » caractérisés par une durée de 1 ,65 ms.
Ajustable A3
C’est la position de son curseur qui fixe la durée de blocage du moteur intérieur au virage. Plus la durée de l’allumage de la led rouge est importante, plus l’angle de rotation du robot augmente. On peut ainsi obtenir des quarts de tour ou des virages à 180 degrés. La durée augmente si l’on tourne le curseur dans le sens horaire.
Ajustables A6 et A7
Ils permettent de régler la vitesse de rotation des moteurs. Cette dernière augmente pour une rotation dans le sens horaire du curseur. Il convient également d’agir sur ces deux ajustables pour obtenir des vitesses de rotation égales pour les deux moteurs de propulsion afin d’avancer suivant un trajet rectiligne.

R.KNOERR