Bobette

Bobette doit trouver une chandelle allumée et l'éteindre dans une maison simulée (2,5 mètres par 2,5 mètres) qui comporte 4 pièces. Ce robot doit donc être capable de reconnaître un environnement physique prédéterminé. Il doit utiliser cetraines caractéristiques physiques de la maison comme la distance des murs et les lignes blanches à l'entrée des pièces, ainsi qu'une boussole digitale pour naviguer. Il est équipé de plusieurs senseurs, tels que senseurs de distance à infrarouge et à ultrasons. Il possède aussi un senseur de lumière et de chaleur pour détecter la flamme de la chandelle.

Bobette est un robot autonome. Une fois activé, il ne requiert aucun contrôle externe. Il utilise l'information fournie par ses senseurs pour se diriger dans son environnement. Bobette contrôle de facon indépendante ses deux moteurs ce qui lui permet de varier sa direction au besoin. Afin de tourner sur lui-même, Bobette fait tourner une roue dans un sens et l'autre roue à la même vitesse dans la direction opposée. Afin d'effectuer un virage à gauche ou droite, Bobette fait tourner une de ses deux roues plus rapidement.

Le programme qui contrôle Bobette est transféré du PC au microcontrôleur par liaison RS232 (port série) pour ensuite être écrit de facon permanente dans la mémoire flash du microcontrôleur. La mémoire flash du microcontrôleur est limitée (8 Ko). Le programme doit donc être relativement simple.

Pour la première version de Bobette, le contrôle se fait à l'aide d'un automate à états finis simple. Certains points de repère sont identifiés et le programme transporte le robot d'un point à l'autre (chaque point étant représenté par un état). Il y a aussi quelques routines qui fonctionnent en parallèle afin d'éviter les obstacles divers.

Voici une liste sommaire des composantes que Bobette utilise dans sa première version:

Chassis	Plaques de métal provenant du chassis d'un vieux magnétoscope coupées en forme de cercle (25 cm de diamètre)
	2 moteurs 12V 100 RPM Hsiang Neng
	Pile 12V 4 Ah
	2 roues d'environ 7 cm de diamètre provenant d'un kit Capsella
	Une roue à bille placée à l'avant
	Moteur recyclé de lecteur de CDROM et hélice pour éteindre la flamme
	Eponges
	Commutateur
	Diverses vis et boulons
	Morceaux de Meccano
Senseurs	Boussole digitale Vector 2X
	3 senseurs de distance infrarouge Sharp GP2D12
	Module de détection à ultrasons SRF04
	Senseur de distance à infrarouge QRB1114 pour détecter les variations de couleur au sol
	Photodiode OP805SL pour détecter la flamme (par intensité lumineuse)
	2 thermistors pour détecter la flamme (par différence de chaleur)
	Trois boutons poussoirs (pouvant être utilisés pour les pare-choc)
Plaque de contrôle	Un plaque de circuit (15 cm X 10 cm)
	Régulateur de voltage 5V 7805 1A
	Microcontrôleur PIC16F877 4 MHz
	Quartz à fréquence de 4 MHz
	Circuit intégré spécialisé pour le contrôle de moteurs L293D (pont en "H" quadruple)
	Circuit MAX232
	Sextuple inverseur SN74LS05
	2 boutons poussoirs
	Une douzaine de condensateurs
	Une douzaine de résistances
	Un LED pour indiquer la présence de tension dans le circuit
	Fusible 4A
	Un connecteur de prise téléphonique (permet la communication en série entre le robot et un PC)
	Une douzaine de connecteurs pour relier les senseurs à la plaque
Plaque environnementale	2 amplificateurs opérationels LM741CN (un pour la température et un pour la détection sonore)
	Minuterie 567 (détection sonore)
	2 potentiomètre 100K
	LED pour indiquer la détection de différence de chaleur
	Diode 1N4004
	MOSFET BS170 pour activer le moteur de l'éventail
	Une demi-douzaine de condensateurs
	Une dizaine de résistance
	2 connecteurs
Plaque d'interface LCD	Afficheur LCD 2 lignes par 20 caractères
	Bascule D avec reset SN74LS174
	Potentiomètre 20K
	Diode
	Condensateur
	Résistance 1K

Détails de Bobette

Observations

• Installation des roues sur le moyeu des moteurs: Dans la construction initiale, le moyeu du moteur était inséré dans un morceau de bois pressé vissé à la roue. Malheureusement, la friction du moyeu sur le bois pressé faisait en sorte que la roue devenait de plus en plus lousse ce qui compromettait la locomotion. Chris de l'ORE m'a finalement aidé à construire une pièce d'aluminium sur mesure pour chaque roue qui permet de visser la roue sur le moyeu.
• Senseur de distance Sharp: Pour les dix premiers centimètres, le voltage augmente, puis diminue. Il existe un intervalle dans lequel la même valeur de voltage est rapportée pour deux distances différentes. Pour contourner ce problème, les senseurs ont été insérés 10 centimètres à l'intérieur du chassis.
• Calibration du senseur de distance à ultrason: La version du senseur à ultrason que j'utilise avait un défaut de fabrication qui faisait qu'après cinq minutes de fonctionnement, les données rapportées n'étaient plus exactes. Aussi, il a fallu installer des éponges sur les cotés du senseur pour réduire le champs de vision du senseur. Autrement, les murs de coté sont parfois vus comme des obstacles.
• Navigation: Le robot n'arrivait pas a effectuer deux fois le même trajet et perdait littéralement la boussole assez souvent. Afin de remédier à ce problème, une boussole digitale a été ajoutée afin de rendre la navigation plus précise. La boussole doit néanmoins être calibrée avant la début de la compétion et est très sensibles aux variations de champ magnétique causées par la présence de fils électriques et poutre de métal.
• Taille du programme: La première version du programme a atteint rapidement la limite de la mémoire du microcontrôleur. Il a fallu réécrire le moteur principal du programme afin de diminuer la taille du programme. Une infratructure d'automate à états finis a été introduite ce qui a largement diminué la taille et la complexité du programme.
• Polarité du circuit: Il m'est arrivé à deux reprises d'inverser la polarité de la pile lors de la mise sous tension. Cette erreur m'a coûté quelques composantes et beaucoup de temps de reconstruction. J'ai finalement ajouté des mécanismes de prévention tels fusibles, commutateur de mise sous tension qui évite le rebranchement des fils à chaque séance, fiches qui rendent impossible le branchement inversé.
• Gestion du courant: Lorsque tous mes senseurs ont été branchés ensemble pour la première fois, Bobette a rendu l'âme. La demande de courant était trop élevée (environ 600 mA). J'ai dû remplacer mon régulateur de voltage pour un à plus grande capacité. Je me suis aussi apercu que mes senseurs de détection de ligne blanche consommaient plus de courant qu'il était nécessaire. J'utilisais une resistance de 22 ohms qui faisait que la consommation pour chaque senseur s'élevait à 250 mA. En remplacant cette résistance par une résistance de 100 ohms, la consommation de mon robot est passée de 600 mA à 200 mA!
• Pare-chocs: Il est possible d'utiliser la même broche analogue pour identifier l'activation de plusieurs pare-choc.
• Interface pour afficheur LCD: En utilisant une mémoire à bascule D, il est possible de construire une interface à l'afficheur LCD qui n'utilise que deux des broches du microcontrôleur (au lieu de 7 ou 11).
• Interface au circuit intégré L293D: En utilisant un circuit intégré (sextuple inverseur), il est possible de contrôler la direction de rotation du moteur à l'aide d'une seule broche.
• Utilisation de condensateurs: Il est recommandeacute; d'ajouter des condensateurs à certains endroits stratégiques pour éviter que des variations de demande de courant ne causent un "reset" du circuit. Un condensateur électrolytique de 22 uF est recommandé entre le mise-&eagrave;-terre et la sortie de voltage. Des condensateurs tantalums de 10 uF sont recommandés entre la mis-à-terre et Vcc du microcontrôleur (2 endroits pour le PIC16F877) et pour les autres circuits intégrés comme le L293D. Interférence de moteur: Pour le ventilateur de Bobette, j'ai commencé par utilisé un moteur commun acheté è Radio Shack. Ce moteur causait &eacut;norm&eacut;ment d'interférences dans mon circuit à tel point que le microcontrôlleur se réintialisait de temps-à-autre. J'ai finalement décider de remplacer ce moteur par un moteur provenant d'un ancien lecteur de CD-ROM. Ce moteur ne me cause aucun problème.
• Ecoeurement: Les longues heures passées tard le soir dans le sous-sol mal éclairé grugent peu à peu tout l'optimisme du naïf créateur. Malheureusement il n'y a aucune solution pour ce problème. Il faut donc s'armer de patience.

Bobette (vue du dessous)

Compétitions

Trinity College (2002)

Bobette a participé à la compétition du Trinity College au Connecticut en avril 2002. Il a réussi à se qualifier lors de la première journée dans la division sénior. Cinquante des soixante robots inscrits dans la catégorie sénior se sont qualifiés pour la compétition. Pour se qualifer, il fallait démontrer que le robot était capable de détecter et d'éteindre une chandelle dans une salle de notre choix. Cette tâche s'est avérée plus ardue que je l'avais anticipée. Il m'a fallu prêt de sept heures pour finalement démontrer au juge que Bobette était capable de relever le défi!

Durant la compétition, chaque robot effectuait trois essais. Bobette n'a pu éteindre la chandelle, mais s'est tout de même classé trente-et-unième. Dans les deux premiers essais, la chandelle se trouvait dans la salle la plus éloignée. Bobette s'est rendu à cette salle dans les deux cas, mais a percuté un mur dans les deux cas. Durant le troisième essai, Bobette a percuté un mur à mi-chemin entre la deuxième et la troisième salle et n'a pu poursuivre sa route.

Eastern Canadian Robot Games (2002)

• Remplacement du quartz pour un quartz à 20 MHz
• Ajout d'un senseur de distance infrarouge à l'arrière du robot
• Retrait de la boussole digitale
• Remaniement du logiciel

Les résultats de cette compétition ont été beaucoup plus encourageants. La séance de calibration a été beaucoup moins fastidieuse qu'à Hartford. Il a fallu élevé le senseur de lumière, ajuster le seuil de tolérance du senseur de lignes blanches, corriger un ou deux petits problèmes de programmation et le robot était prêt à relever le défi. Il existait encore certains problèmes de navigation qui empêchaient le robot de poursuivre son trajet de temps-à-autre et qu'il faudra résoudre pour les compétitions futures. Aussi, le fait qu'il fallu élever la senseur de lumière a mené à un autre problème: le senseur était parfois bloqué par l'hélice du ventilateur.

Bobette a réussi à éteindre la chandelle dans son premier essai dans la troisième salle en 46 secondes. Dans le deuxième essai, Bobette s'est rendu dans la deuxième salle où la chandelle se trouvait, mais n'a pu détecter la présence de la chandelle et a donc continué son chemin vers les autres salles. Dans le troisième essai, Bobette s'est afaissé pitoyablement sur un mur à l'entrée de la porte de la première salle.

Bobette s'est classé quatrième parmi les six participants de la compétition.

Trinity College (2003)

• Remplacement de l'hélice par un ventilateur d'ordinateur (avec jeu de lumières!).
• Changements au logiciel: amélioration de l'algorithme de navigation et ajout de la procédure de retour au point de départ après avoir éteint la chandelle.
• Ajout de quatre DEL pour indiquer le statut des senseurs.
• Changement du sytème d'alimentation (utilisation de 6 piles 'AA').
• Amélioration de l'utilisation du courant par les senseurs de lignes blanches (passe de 200 mA a quelques mA).
• Ajout du circuit de détection d'alarme.

Bobette a bien fait dans la compétition. La qualification était plus exigeante que l'année précédente, mais Bobette a réussi tout de même à se qualifier au premier essai. Des soixante participants, trente-deux se sont qualifiés dans la catégorie sénior. Bobette a réussi à trouver et éteindre la chandelle à son deuxième essai (dans la salle la plus éloignée). Au troisième essai, Bobette a trouvé la chandelle, mais n'a pas pu l'éteindre à cause d'un problème de réflexion. Il y a encore du travail à faire au niveau de la navigation, mais Bobette se comporte assez bien dans la maison. Bobette s'est classé vingt-troisième dans cette catégorie.

N'eut été du cambriolage de mes outils et composants, la fin de semaine aurait été un succès total.

Projets futurs

Faute de temps, je n'ai pu participé à la compétition de Toronto de l'automne 2003 et ne pense pas participé à la compétition d'Hartford de 2004. Je compte bien me remettre au travail prochainement pour améliorer l'algorithme de navigation et ajuster les problèmes mécaniques les plus embêtants.

Dernière mise-à-jour: Le 14 mars 2004