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J'ai tout compris !

Mis à jour le 08/11/2019

Découvrez la constitution des capteurs

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Dans ce chapitre, nous allons découvrir les capteurs du robot qui permettent d’assurer sa navigation dans son environnement.
Nous verrons les composants optiques élémentaires, puis comment ils s’insèrent dans un petit circuit électronique qui les exploite et enfin, comment le système composant optique associé à son électronique est connecté à la carte Arduino pour assurer le pilotage et la navigation du robot dans son environnement. :magicien:

Principe de fonctionnement d’un capteur de ligne

Le capteur de ligne est construit autour d’un capteur nu (aussi appelé senseur optique réflectif) constitué, dans un boîtier unique, d’une LED infrarouge et d’un phototransistor (ou simplement transistor), associé à une électronique d’interface et au connecteur à 4 broches qu’on pourra connecter sur la carte Arduino ou le shield.

Le capteur de ligne et ces composants élémentaires
Le capteur de ligne et ses composants élémentaires

Le principe de fonctionnement du capteur réflectif nu

Comme dit tout à l’heure, le capteur réflectif est constitué dans un boîtier unique d’une LED infrarouge et d’un phototransistor. La figure ci-dessous montre la LED infrarouge (de couleur bleue) et le phototransistor (de couleur noire).

Le capteur réflectif TCRT5000. Source: www.banggood.com
Le capteur réflectif TCRT5000. Source: www.banggood.com

La LED infrarouge émet un rayonnement dans une longueur d’onde infrarouge (950 nm) donc non visible à l’œil humain. Si un obstacle réfléchissant se trouve sur le trajet du faisceau, il renvoie une partie de l’énergie qui tombe ensuite sur le phototransistor. Ce dernier fonctionne comme interrupteur commandé par la lumière infrarouge qu’il reçoit :

  • si la quantité de lumière est nulle ou inférieure à un seuil donné, le transistor est bloqué, tout se passe comme si l’interrupteur équivalent était ouvert ;

  • en revanche, si la lumière que reçoit le phototransistor est supérieure au seuil, le phototransistor est passant, l’interrupteur équivalent est fermé.

Le faisceau infrarouge est émis depuis le dôme bleu et le faisceau réfléchi doit tomber sur le dôme noir pour rendre le transistor passant. C’est pourquoi on dit que le fonctionnement du capteur est basé sur la lumière réfléchie.

Le principe de fonctionnement électrique du capteur réflectif nu

Le principe de fonctionnement électrique basé sur la lumière réfléchie est illustré sur les figures ci-dessous.

Photo du boîtier de TCRT 5000 et schéma de principe de fonctionnement électrique. Source : www.vishay.com
Photo du boîtier de TCRT 5000 et schéma de principe de fonctionnement électrique. Source : www.vishay.com. Cette image est utilisée avec la permission de Vishay Intertechnology, Inc. © Tous droits réservés.

 La LED est alimentée entre l’anode et la cathode (les points A et C).

Si le faisceau réfléchi sur le phototransistor n’est pas suffisamment intense, le transistor est bloqué. Tout se passe comme s'il y avait un contact ouvert entre collecteur (C côté transistor) et émetteur (E). En revanche, si l’intensité est suffisante, tout se passe comme si le contact entre E et C était fermé.

Le circuit électrique est un circuit de principe. En réalité, il est un peu plus complexe, comme nous le verrons plus loin. Dans le principe, on y voit la LED traversée par un courant noté IF et le transistor parcouru par un courant IC non nul, si l’intensité du faisceau réfléchi est suffisant.

Le capteur nu associé à son électronique rapprochée

Il n’est pas possible de connecter directement les broches du capteur précédent sur la carte Arduino. Il faut une électronique d’interface (appelée aussi une électronique rapprochée).

Dans une perspective purement fonctionnelle, il suffit de savoir exploiter ce composant côté logiciel, ce que nous ferons d’ailleurs plus tard dans la partie 2. Toutefois, dans un souci didactique ou si vous souhaitez réaliser vous-même votre électronique d’interface, nous indiquons quelques éléments qui permettent au moins de comprendre les principes de cette électronique d’interface. :zorro: La lecture de principes d’électronique d’interface qui suit n’est pas indispensable pour suivre la suite du cours.

Les principes de l’électronique d’interface

Le schéma électrique de l’interface est donné dans la figure ci-dessous.

Electronique d'interface du composant TCRT5000
Électronique d'interface du composant TCRT5000

On reconnaît le capteur nu. La LED infrarouge est en série sur une résistance de 150 𝛀. Cette résistance assure une bonne valeur du courant qui traverse la LED infrarouge. Le collecteur du transistor (le point C) ne peut pas être relié directement à la tension d’alimentation.

Si le collecteur était relié directement à la tension d’alimentation, celle-ci serait court-circuitée par l’interrupteur fermé et débiterait ainsi un courant très important qui endommagerait voire détruirait le phototransistor. La résistance de 10 k𝛀, dite résistance de polarisation, limite le courant débité de l’alimentation à une valeur assez basse pour que le circuit ne consomme pas trop.

En poursuivant vers la partie droite du schéma, on tombe sur un amplificateur opérationnel monté en comparateur. L’entrée non inverseuse (notée +) de ce comparateur est reliée au collecteur du phototransistor :

  • quand le transistor est passant, collecteur et émetteur sont quasiment au même potentiel, c’est-à-dire à la masse ;

  • en revanche, quand le phototransistor est bloqué, il n’y a pas de courant qui circule entre collecteur et émetteur (interrupteur ouvert) et par conséquent, il n’y a pas de courant non plus dans la résistance de 10 k𝛀.

En effet, le courant dérivé depuis le collecteur vers le comparateur est quasiment nul. Comme il n’y a pas de courant dans la résistance, par loi d’Ohm, la chute de tension à ses bornes est nulle et la tension d’alimentation est directement appliquée sur l’entrée inverseuse du comparateur.
Pour résumer, sans lumière réfléchie, l’entrée non inverseuse du comparateur est à 5V. Avec lumière réfléchie (si elle est assez intense), la tension d’entrée sur l’entrée non inverseuse est quasiment nulle.

L’entrée inverseuse (notée -) du comparateur est reliée à la tension d’alimentation par l’intermédiaire d’un potentiomètre monté en pont diviseur. En ajustant le potentiomètre au tournevis, on règle la valeur de tension appliquée à l’entrée non inverseuse entre 0V et 5V. Concrètement, si on dispose d’un multimètre, on peut ajuster le potentiomètre à une valeur intermédiaire (3V par exemple) ou bien faire des essais logiciel comme nous le verrons plus loin (dans la partie 2).

La sortie de ce comparateur est binaire, à 0V ou 5V à peu de chose près selon que la tension sur l’entrée non inverseuse soit inférieure ou égale à la tension sur l’entrée inverseuse. On peut raisonner de façon équivalente sur le signe de la différence V+ - V-. Si la différence est positive, alors la tension de sortie (notée OUT1) vaut 5V. Dans le cas contraire, elle vaudra 0V.

Pour synthétiser :

  • si le phototransistor reçoit un faisceau réfléchi, le transistor est passant, donc l’interrupteur équivalent est fermé et la tension au collecteur sera égale à la tension à l’émetteur, soit 0V. Dès lors, la tension sur l’entrée inverseuse est plus grande que la tension sur l’entrée non inverseuse, et la sortie vaut 0V ;

  • si le phototransistor ne reçoit pas de faisceau réfléchi, le transistor est bloqué, l'interrupteur équivalent est ouvert, la tension sur l’entrée non inverseuse est à 5V, forcément supérieure à la tension sur l’entrée inverseuse de l’ordre de 3V en fonction du réglage du potentiomètre. La sortie est à 5V. L’état logique de la sortie permet d’en déduire l’état réfléchissant ou non de la surface en face de la LED infrarouge.

Le capteur de ligne et le RoboMobile

Le composant décrit dans les lignes qui précèdent (capteur nu associé à son électronique d’interface) est collé sous le châssis inférieur du robot à quelques centimètres de hauteur et pointe vers le sol.

Pour assurer le guidage du robot, on aura fixé au sol une ou des lignes hautement réfléchissantes. Le robot pourra par exemple être piloté pour suivre cette ou ces lignes en exploitant le signal OUT1 que nous venons de découvrir. Le pilotage est assuré par la partie logicielle que nous découvrirons dans la partie 2. :magicien:

Utilisation du capteur de ligne en compte-tours

Pour la navigation du robot, il sera utile d’avoir une estimation de la distance qu’il a parcourue.
On peut obtenir une estimation de cette distance en comptant le nombre de tours (un compte-tours) qu’a fait une roue, (la gauche ou la droite) en supposant que la roue ne “glisse” pas.

Si la roue ne glisse pas, alors la distance parcourue correspond au périmètre de la roue multiplié par le nombre de tours que la roue a effectués, à supposer qu’on soit capable de le mesurer.

Concrètement, comme on l’a vu au chapitre 1, la roue est composée de secteurs pleins et vides.

La roue du robot
La roue du robot

On utilise un capteur de ligne de la section 1 mais plutôt que de regarder le sol à la recherche des lignes réfléchissantes, il est dirigé vers la roue qu’on veut examiner. Au gré de la rotation de la roue, les secteurs pleins et vides défilent et génèrent en sortie du capteur des fronts ou transitions (la tension passe de l’état haut à l’état bas puis inversement). Comme on sait le sens du déplacement, en comptant les fronts, on en déduit la distance.

Les roues font un diamètre de 5,1 cm (avec les élastiques). Donc le périmètre vaut 16,022 cm. (P= 𝛑.D). Il y a 8 secteurs pleins et 8 secteurs vides, donc 16 transitions par tour. Ainsi, en comptant les transitions, on compte la distance en cm.

Principe de fonctionnement d’un capteur de distance

Le capteur de distance est un composant intégré qui permet de déterminer la distance comprise entre une LED infrarouge qui émet un faisceau focalisé par une lentille comme dans le capteur de ligne, et un récepteur qui reçoit le faisceau réfléchi par un obstacle, également focalisé par une lentille.

Le capteur de distance. Source : https://fr.rs-online.com
Le capteur de distance. Source : https://fr.rs-online.com. Cette image est utilisée avec la permission de RS Components SAS.

Ce capteur est capable d’estimer une distance comprise entre 4 cm et 30 cm, et la mesure est relativement indépendante de l’état de surface de l’objet réflecteur.

De façon opérationnelle, on peut se contenter de décrire le capteur par la grandeur électrique qu’il élabore, à savoir une tension analogique, en volts, qui est fonction de la distance de l’émetteur au récepteur.

L’électronique intégrée est complexe et incorpore des fonctions avancées de traitement du signal. On peut tout de même en expliquer le principe général qui est basé sur la triangulation.

Le principe de la mesure de distance par triangulation

La mesure de la distance de la LED à l’obstacle est basée sur la triangulation dont le principe est illustré dans la figure ci-dessous.

Principe de la mesure de distance par triangulation. Source : home.roboticlab.eu
Principe de la mesure de distance par triangulation. Source : home.roboticlab.eu

La LED émettrice est à gauche. Le faisceau est focalisé et rencontre un obstacle qui réfléchit la lumière de façon diffuse, c’est-à-dire dans toutes les directions, contrairement à un miroir qui réfléchit selon les lois de Descartes :

  • si l’obstacle est proche de la LED émettrice (en position P1), alors le rayon réfléchi qui pénètre dans la lentille du récepteur fait un angle important et est focalisé sur l’unité PSD (pour Position Sensitive Detector) assez loin à droite, en position U1 ;

  • si l’obstacle est situé plus loin (en position P2), le rayon réfléchi pénètre dans la lentille avec un angle plus faible et est focalisé sur l’unité PSD en U2. La distance est ainsi transformée en position du spot réfléchi sur l’unité PSD. Cette dernière transforme la position en tension analogique de l’ordre de quelques volts.

Tous calculs faits, ce principe de triangulation résulte en une fonction de la tension de sortie du composant, fonction de la distance entre LED émettrice et obstacle.

Cette tension sera directement connectée sur une entrée analogique de la carte Arduino, lue par le programme et transformée, par l’intermédiaire d’un convertisseur analogique numérique, en nombre.

Il reste, pour déterminer la distance, à faire correspondre la distance à cette tension, mesurée selon la courbe ci-dessous.

Relation tension — distance du capteur de distance. Source : http://home.roboticlab.eu
Relation tension - distance du capteur de distance. Source : http://home.roboticlab.eu

Sur cette relation, qui peut dépendre un peu de chaque référence de capteur — il en existe de nombreuses variantes — pour une distance de 40 cm, on voit qu’en sortie du convertisseur analogique numérique, on récupère une valeur autour de 150.

Le capteur de distance et le RoboMobile

La connexion électrique du capteur sur la carte électronique est très simple. Le capteur est muni de trois broches : une tension d’alimentation, une masse ou commun, et la tension analogique connectée sur une entrée analogique de la carte Arduino. La connexion se fait directement avec un câble connecteur standard.

Le capteur de distance est monté sur un servomoteur standard qu’on peut piloter en angle entre - 90° et + 90°. Avec ce système, on dispose donc d’un senseur qui permet de balayer l’espace en avant du robot pour détecter son environnement, un peu à la manière d’un radar rotatif qui scanne l’espace.

Au niveau logiciel, les détails que nous venons de voir peuvent être ignorés si on se contente de compétences opérationnelles strictes. Les paragraphes qui précèdent permettent toutefois de comprendre dans les grandes lignes les principes de fonctionnement pour satisfaire votre curiosité, si vous voulez aller plus loin.

En résumé

Dans ce chapitre, nous avons découvert les capteurs de ligne et de distance et leur principe de fonctionnement. Nous avons vu comment nous pouvons estimer la distance parcourue par le robot en comptant les fronts sur un capteur type "capteur de ligne". Celui-ci détecte les transitions de tension au gré de la rotation de la roue, où se succèdent secteurs vides et pleins en face du capteur.

Dans la partie 2, nous verrons comment mettre en œuvre ces techniques du point de vue logiciel. :magicien: Nous verrons notamment que dans une perspective purement opérationnelle, le niveau de description de ce chapitre n’est pas strictement nécessaire. Néanmoins, comprendre les principes, et aussi leurs limites, est souvent utile, pour prévenir les erreurs, améliorer un système ou détecter et réparer une panne.

Exemple de certificat de réussite
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