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Mis à jour le 21/11/2019

Préparez le développement et l’intégration du système roulant agricole

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La dissipation thermique Nous allons, à présent, agréger tous les éléments des chapitres précédents pour présenter les bases de ce que pourrait être un calculateur de contrôle de pilotage d'un engin agricole roulant.

Mission

La mission tout d'abord : réaliser le balayage d'une parcelle agricole par un engin prédisposé pour y effectuer toute sorte de travaux. Nous prenons comme hypothèse que l'engin est amené sur la parcelle de façon traditionnelle par l'utilisateur. Le point d'entrée de la parcelle correspond au point de départ de la mission.

Le balayage automatique comporte :

  • un déplacement de l'engin de jour, par temps clair, pour suivre des lignes parallèles droites ou courbes ;

  • la réalisation des demi-tours en fin de ligne.

Si l'engin détecte un obstacle, il s'arrête et avertit par une communication distante. Les paramètres de la mission et l'état de santé de l'engin sont transmis en permanence à un superviseur distant. La vitesse de travail de l'engin est limitée à 6 km/h.

Outils

Nous utiliserons des outils numériques pour tous les métiers impliqués par le développement et par la réalisation du système :

  • des outils de réalisation de schémas électroniques, de placement et de routage pour la réalisation des cartes électroniques, mais aussi pour la fabrication et le câblage de ces cartes ;

  • des outils de conception du packaging, de fabrication des pièces mécaniques, des outils de métrologie pour la vérification de conformité des pièces ;

  • des outils de programmation informatique : modélisation, simulation, codage, compilation croisée, debuggage temps réel, intégration continue, test de conformité, programmation des composants cibles... ;

  • des outils de gestion des configurations des solutions proposées ;

  • des outils de production du référentiel documentaire ;

  • des outils de gestion des stocks en relation avec les commandes clients et les fournisseurs ;

  • des outils de planification des activités de développement, de fabrication et de réparation des produits.

Durée de vie

Le milieu agricole souhaite bénéficier d'un système maintenable sur une période de 10 ans. Nous privilégions donc des composants électroniques matures, ayant de préférence une capacité d'approvisionnement multiple située dans plusieurs zones géographiques, avec une pérennité annoncée d'au moins 5 ans.

Nous proposons d'effectuer une part significative de fonctions réalisées sous forme logicielle, afin de pouvoir faire évoluer facilement le produit et réduire notre dépendance à l'obsolescence et aux aléas d'approvisionnement des composants.

Marché visé

Nous souhaitons distribuer notre produit en Europe, cœur historique agricole et disposant d'un potentiel important d'engins à équiper. Nous devons donc être conformes aux exigences réglementaires européennes, et prévoir des actions de conformité relatives au marquage CE de notre produit.

Nous devrons ainsi montrer que notre calculateur :

  • met en œuvre des composants conformes aux exigences REACH et RoHS ;

  • assure une compatibilité électromagnétique avec son environnement en ne le perturbant pas et en n'étant pas lui-même perturbé par celui-ci ;

  • assure une étanchéité aux liquides et aux poussières que nous positionnons ici à un niveau IP54.

Le système ne doit pas être perturbé par l'environnement vibratoire de l'engin lui-même, ni des chocs éventuels qu'il peut subir. Il ne doit pas être perturbé par certains liquides corrosifs comme les liquides utilisés pour les systèmes hydrauliques, les huiles et le gasoil. Il doit également pouvoir fonctionner à des températures comprises entre 0 et 45°C, -20 et +55°C en stockage.

Si les niveaux sont trop faibles, cela pourra limiter la fiabilité, l'interopérabilité ou la performance de notre calculateur. S'ils sont trop forts, cela peut générer des surcoûts et des délais de mise en œuvre incompatibles avec le marché ciblé.

Limitations

Les impacts de nos choix d'architecture sont, outre les aspects économiques :

  • une précision de suivi de trajectoire ;

  • une perte additionnelle de précision en cas de terrain accidenté ou glissant ;

  • des capacités de traitement temps réel limitées, réduisant les possibilités de déplacement à vitesse élevée de l'engin ;

  • des capacités d'acquisition ou de traitement d'un nombre important d'informations pour réaliser la mission ;

  • des capacités de stockage de données pour une exploitation immédiate ou postérieure à la mission ;

  • des capacités de stockage de données pour un archivage embarqué ;

  • un périmètre d'utilisation applicatif réduit du calculateur, en fonction du respect des contraintes environnementales de la solution développée.

Développement et intégration

Nos décisions d'architecture se portent sur le choix des organes constitutifs du calculateur pour réaliser ses missions.

Unités d'interface

Schéma sur les unités d'interface
Unités d'interface du système

Concernant les blocs en liaison avec l'extérieur du calculateur, nous devons intégrer :

  • un bloc d'acquisition de données analogiques avec ses filtres de protection CEM, filtres également nécessaires pour l'ensemble des blocs d'E/S du calculateur ;

  • un bloc d'acquisition de données numériques ;

  • un bloc de pilotage analogique des sorties actionneurs ;

  • un bloc de pilotage numérique des sorties actionneurs ;

  • un bloc de communication avec les autres systèmes de l'engin, par une liaison CAN 2.0B ;

  • une « SD card » pour stocker des données et archiver de l'information sur les missions réalisées ;

  • un gestionnaire d'alimentation depuis l'entrée 12V DC de la batterie de l'engin ;

  • un bloc de communication GSM vers un superviseur déporté ;

  • un bloc de communication WiFi ;

  • la connectique d'interface opérationnelle, de maintenance et de communication avec les unités programmables.

Entrées du calculateur

Les entrées considérées du calculateur sont :

  • une centrale inertielle mesurant les accélérations et les rotations de l'engin en déplacement ;

Centrale à inertie du Missile S3, Musée de l'Air et de l'Espace, Paris Le Bourget - Auteur : Pline [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)] - Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Centrale-intertielle_missile_S3_Musee_d
Centrale à inertie – Auteur : Pline – Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Centrale-intertielle_missile_S3_Musee_du_Bourget_P1010652.JPG?uselang=fr
  • deux capteurs odométriques permettant de détecter d'éventuels glissements des roues motrices ;

  • un "Lidar" permettant de détecter des obstacles devant et en périphérie directe de l'engin ; 

Lidar - Auteur : Steve Jurvetson - Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Velodyne_High-Def_LIDAR.jpg
Lidar – Auteur : Steve Jurvetson – Source : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Velodyne_High-Def_LIDAR.jpg
  •  un GPS pour positionner globalement l'engin sur la parcelle.

Sorties du calculateur

Les sorties considérées sont :

  • un pilotage de l'accélérateur de l'engin ;

  • un pilotage des freins ;

Pilotage de l'accélérateur et freins - Source : Adobestock
Pilotage de l'accélérateur et freins – Source : Adobe Stock
  • un pilotage de sa direction.

Pilotage de la direction - Source : Adobestock
Pilotage de la direction - Source : Adobestock

Communication

Elements de communication
Éléments de communication

Les éléments de communication sont :

  • une interface « CAN 2.0B » compatible avec le bus interne de l'engin ;

  • une interface GSM pour un dialogue distant avec le superviseur ;

  • une interface WiFi pour un dialogue local et une synchronisation de haut niveau avec des engins en proximité directe.

Unités internes

Schéma sur les blocs
Les différents blocs internes

Concernant les blocs internes, nous prenons en compte :

  • les unités programmables, FPGA et microcontrôleurs ;

  • les blocs mémoire flash et RAM ;

  • les horloges internes, la pile de sauvegarde de l'heure ;

  • les blocs de surveillance interne de l'état de santé du calculateur (présence tension, température interne) ;

  • les liaisons électriques, leurs éventuels couplages à éviter, leur adaptation d'impédance lorsque requis ;

  • les bus de communication internes, parallèle ou série.

D'un point de vue mécanique, nous prenons en compte :

  • la consommation du calculateur pour le préserver d’éventuels emballements thermiques, en utilisant par exemple le boîtier comme radiateur, en favorisant la dissipation thermique des composants les plus générateurs de chaleur par conduction au plus près du socle,

  • le blindage électromécanique du calculateur (en encapsulant par exemple ce dernier dans une cage de Faraday métallique)

  • son étanchéité à l'eau et aux poussières par l'utilisation de joints et d'une connectique industrielle adaptée,

  • sa capacité d'implémentation dans les engins agricoles en limitant son empreinte volumique et en standardisant son installation mécanique.

Le logiciel embarqué est construit autour d'une architecture en plusieurs niveaux :

  • la couche noyau ou « kernel », constituée du système d'exploitation et des couches basses de gestion des entrées/sorties du microcontrôleur ;

  • des API situées dans l'espace utilisateur constitué des couches de communication de haut niveau du calculateur, géré par le microcontrôleur, une gestion évoluée des ports d'E/S ;

  • un espace, également situé dans l'espace utilisateur, où sont implémentées les applications.

Schéma illustrant notre cas

Schéma d'architecture logicielle en niveaux et allocation des fonctions

Concernant le FPGA, l'ensemble des traitements temps réels de notre application, à savoir :

  • l'algorithmie de contrôle-commande en vitesse de l'engin, de gestion de la direction du volant, d'actionnement de la pédale de frein, la gestion du glissement des roues, l'acquisition des données en provenance des capteurs, le pilotage des actionneurs est réalisée au sein de modules IP dans ce FPGA ;

  • un bloc de gestion de la communication avec le microcontrôleur ;

  • un bloc de test interne au FPGA ;

  • un bloc de gestion des adresses est également implémenté ici.

Une gestion des horloges internes et de la synchronisation des événements permet une période d'asservissement en vitesse ou de réaction à un événement, de l'ordre de la milliseconde.

Schéma illustrant notre cas
Traitements sur le FPGA

Le choix de l'utilisation étendue des propriétés temps réel du FPGA aurait pu être challengé par l'utilisation d'un système d'exploitation temps réel au sein du microcontrôleur, ou en mettant en œuvre un hyperviseur. Dans tous les cas, le choix de programmer ces fonctions a pour objectif de pouvoir les modifier, les faire évoluer. À ce titre, prévoyez une marge de 50 % dans la capacité de traitement et de stockage de vos composants programmables.

Dans ce chapitre, nous avons présenté les bases de ce que pourrait être un calculateur de contrôle de pilotage d'un engin agricole roulant. Nous avons partagé une première approche concernant le développement et l'intégration d'un calculateur industriel.

Les architectures que vous développerez seront votre réponse à vos propres contraintes. Vous connaissez maintenant les éléments de base à mettre en œuvre. À vous de les associer et d'effectuer les bons partitionnements relativement à votre contexte d'emploi.

Poursuivons dans le cours et vérifions le fonctionnement de notre système...

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite