Gyropode à structure articulée développé par des étudiants d`IUT

Gyropode à structure articulée développé par des étudiants d’IUT
"En facilitant l’interfaçage aux capteurs et le
contrôle des moteurs, la carte Single-Board RIO a
permis aux étudiants de se concentrer sur les
algorithmes de commande."
- David FREY, Département GEII1 - IUT1 de Grenoble (http://www-iut.ujf-grenoble.fr/)
L'objectif :
Développer et mettre en œuvre un gyropode à structure articulée : « les sensations du ski en ville ».
La solution :
Utiliser une carte NI sbRIO-9642 pour assurer l’interfaçage des différents capteurs du gyropode et le contrôle des moteurs.
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Auteur(s) :
David FREY - Département GEII1 - IUT1 de Grenoble (http://www-iut.ujf-grenoble.fr/)
Théophile DURDAN - Université de Grenoble (http://www-iut.ujf-grenoble.fr/)
Joseph DURDAN - Université de Grenoble (http://www-iut.ujf-grenoble.fr/)
Dans le cadre des projets de deuxième année de DUT GEII, les étudiants peuvent proposer des sujets innovants et disposer des moyens mis à leur
disposition par l’IUT. Un groupe de cinq étudiants a proposé le développement d’un gyropode à structure articulée ; ce qui est unique au monde. L’objectif
est d’obtenir un comportement plus proche des sensations ressenties en ski. Ce gyropode présente toutefois la particularité de se maintenir vertical
lorsqu’il est éteint.
Ce projet a été réalisé en collaboration entre les départements Génie Mécanique (pour la structure globale) et le département GEII (pour la puissance et
le contrôle-commande).
Une conception mécanique originale
La principale particularité de ce gyropode est d’être articulé. Contrairement aux modèles existants, les pieds du pilote ne reposent pas sur une base fixe,
mais sur des éléments « mobiles », solidaires des roues afin de simuler les « prises de carres » que l’on connaît sur des skis.
De plus, contrairement aux gyropodes qui utilisent un manche de contrôle pour la direction gauche-droite, le pilote dispose de deux barres, similaires à
des bâtons de ski, qui permettent de prendre appui et de s’incliner pour prendre les virages. La capacité d'inclinaison est de +/-20°. Des ressorts
permettent un retour de force et le maintien vertical du gyropode lorsqu’il est éteint.
L’intégration de l’ensemble des éléments dans un châssis articulé a été compliquée à résoudre. C’est pour cela que la motorisation des roues est basée
sur des moteurs-roue de vélos électriques de type DC-brushless. Le choix d’utiliser des moteurs-roue a été fait pour limiter l’encombrement des moteurs
et supprimer certains problèmes d’entraînement mécanique. Les moteurs ont une puissance unitaire de 1 kW, ce qui permet au système de monter des
pentes supérieures à 20 %. Les onduleurs de commande de ces moteurs ont également été réalisés par les étudiants.
L’alimentation de l’ensemble se fait par des batteries permettant une autonomie d’une demi-heure. Pour des raisons d’encombrement, les deux batteries
ont été intégrées sous chaque pied du pilote.
La carte Single-Board RIO, cerveau du gyropode
La carte NI sbRIO-9642 est le centre nerveux du gyropode. C’est elle qui va exécuter les algorithmes de contrôle-commande et les boucles
d’asservissement qui permettent au gyropode de se déplacer. Les algorithmes de contrôle-commande sont exécutés par la partie « processeur »,
programmée grâce au Module LabVIEW Real-Time. La carte a également le rôle de s’interfacer avec les capteurs et les actionneurs. Toute la partie liée à
la gestion de la communication avec les capteurs, à la mise en forme des données et à la gestion des sécurités bas niveau est implantée au niveau du
FPGA de la carte.
La position du gyropode est mesurée grâce à deux capteurs, un accéléromètre et un gyromètre trois axes. Ils communiquent par liaison série haute
vitesse (SPI) avec la carte Single-Board RIO. Le but de ce choix est de s’affranchir des éventuels problèmes d’offset liés à la mise en œuvre de capteurs
analogiques.
Pour l’implantation de la communication dans le FPGA, les fonctions disponibles dans LabVIEW ont permis une mis en œuvre aisée et rapide en utilisant
des entrées/sorties tout ou rien de la carte.
L’angle d’inclinaison imposé par le pilote est mesuré via un potentiomètre qui est directement interfacé avec une entrée analogique du gyropode.
La commande des moteurs DC brushless est réalisée par l’intermédiaire de deux onduleurs de tension triphasés (un par roue). La commande de ces
onduleurs est réalisée à l’aide de signaux PWM triphasés générés par la carte Single-Board RIO. La génération des signaux MLI est réalisée par le
FPGA. La position du moteur et le courant sont également pris en considération pour alimenter de manière adéquate les moteurs et éviter toutes
surintensités pouvant endommager l’onduleur et/ou le moteur.
En tout, 30 entrées/sorties numériques et 7 entrées analogiques sont utilisées. Grâce au grand nombre d’entrées/sorties (analogiques et numériques) de
la carte et aux fonctions disponibles dans LabVIEW, la partie interfaçage a été rapide à réaliser, laissant d’autant plus de temps pour se concentrer sur les
asservissements haut niveau.
Un système novateur à perfectionner
Le prototype de gyropode a permis de valider la pertinence des choix technologiques qui ont été faits et ont montré que la carte Single-Board RIO était
bien adaptée à l’intégration au châssis et à l’exécution des lois de contrôle-commande implantées.
À l’avenir, les réglages des correcteurs devront être encore améliorés pour augmenter la stabilité du système à haute vitesse.
De nouvelles fonctionnalités, comme un tableau de bord permettant de dialoguer avec la carte Single-Board RIO et d’afficher les informations d’autonomie
restante et de vitesse par exemple, ou encore une liaison Wi-Fi pour superviser à distance le gyropode, pourront être implantées. Cela se fera assez
facilement du fait des réserves d’entrées/sorties et des liaisons de communication disponibles sur la carte Single-Board RIO.
http://gyropode-ujf.joseph-durdan.fr/ (http://gyropode-ujf.joseph-durdan.fr/)
Novembre 2013
Informations sur l'auteur :
David FREY
Département GEII1 - IUT1 de Grenoble (http://www-iut.ujf-grenoble.fr/)
151, rue de la Papeterie
38400 Saint-Martin-d'Hères
France
Tél : + 33 (0) 4 76 82 44 70
[email protected] (mailto:[email protected])
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Gyropode en action
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Implantation de la carte Single-Board RIO, des capteurs et des onduleurs de commande
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Synoptique du système de contrôle-commande du gyropode
Législation
Cet article a été rédigé par un utilisateur de National Instruments ("NI"). IL EST FOURNI "EN L'ÉTAT" SANS AUCUNE GARANTIE ET EST SOUMIS À CERTAINES
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