Rapport Final

Université du Québec à Chicoutimi
MODULE D’INGÉNIERIE
PROGRAMME (Génie informatique)
6GIN333 Projet de Conception en Ingénierie
Rapport Final
Projet : 2011-290
Conception d’une plateforme de calcul de force pour le diagnostic
de la maladie de
L’Ataxie de Charlevoix/Saguenay
Préparé par
Hechmi Ayari
Pour
BUI, Hung Tien
Fondation de L’Ataxie Charlevoix-Saguenay
19 Avril 2012
CONSEILLER :
COORDONNATEUR :
BUI, Hung Tien
Jacques Paradis, ing
Approbation du rapport d’étape pour diffusion
Nom du conseiller
Date
Signature
Hung Tien Bui
REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier les personnes qui m’ont aidé à mener à termes ce projet.
Tout d’abord, je remercie mon conseiller, Monsieur Hung Tien Bui pour ses conseils et
son savoir faire pour m’aider à garder les objectifs du projet en vue, et d’avoir su me
motiver à les atteindre, aussi pour sa disponibilité quand des problèmes survenaient dans
le projet et pour terminer je tiens à le remercier pour sa compréhension et ses
encouragements à certains moments du projet ou la confiance pour mener à terme le
projet faisait défaut.
Je remercie les techniciens du L’université, et plus précisément Monsieur Francis
Deschênes pour son soutien, son aide ainsi que ses conseils pour mener à bien la
réalisation du PCB, qui est une des parties maitresse de mon projet.
Aussi, je remercie mon épouse de m’avoir soutenue moralement dans la réalisation de ce
projet et qui a su m’encourager dans les moments difficiles.
Pour terminer, je tiens à remercier mes parents pour les différentes qualités qu’ils m’ont
inculqués pour avancer dans la vie.
Hechmi Ayari
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RÉSUMÉ
Ce projet vient dans un contexte où les neurologues se trouvent face au défi de mesurer
l’état d’avancement de l’Ataxie
Récessive Spastique Autosomique de Charlevoix-
Saguenay (ARSACS) qui est une maladie qui touche principalement des gens de la
région de Charlevoix-Saguenay. En effet, ce projet vient contribuer à cette étude en
essayant de fournir un moyen de quantifier ce qui est qualitatif afin de mieux
diagnostiquer cette maladie.
L’objectif principal consistait à développer une plateforme pour l’évaluation de la
progression de l’ARSACS en quantifiant des caractéristiques qui sont présentement
qualitatives et cela en se basant sur le mouvement du centre de masse d’une personne à
qui on demande de se tenir debout sur la plateforme. Le travail a été divisé en trois partie
distinctes qui sont la partie mécanique (plateforme), partie électrique (capteurs
d’instrumentation et conception de PCB) et partie programmation (implémentation de
fonctions de calcul de la position). Pour finir, l’aire de la zone couverte par le centre de
masse sera fournie.
Ainsi, à la fin du projet on a pu arriver aux attentes voulues en calculant l’aire dessinée
par le centre de masse de la personne qui se tient sur la plaquette. Pour conclure, la
réalisation de ce projet est d’une grande utilité pour les neurologues ainsi que pour les
personnes atteintes de cette maladie, car cette plateforme permettra d’évaluer
l’avancement de cette maladie et ainsi d’appliquer des traitements sur les personnes et
voir si ce dernier contribue à l’amélioration de la maladie ou à sa dégradation.
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TABLE DES MATIÈRES
Remerciements…………………………………………………………………………….3
Résumé…………………………………………………………………………………….4
Table des matières…………………………………………………………………………5
Tables des figures…………………………………………………………………………6
INTRODUCTION………………………………………………………………………...7
I .PRÉSENTATION DU PROJET………………………………………………………..8
I.1. Description de l’équipe de travail…………………………………………….8
I.2. Problématique du projet……………………………………………………….8
I.3. Objectifs généraux et spécifiques du projet…………………………………...9
II. ASPECTS TECHNIQUES ET ÉLÉMENTS DE CONCEPTION RELATIFS AU
PROJET………………………………………………………………………………….10
II.1. Éléments de conception……………………………………………………..10
II.1.1.Plateforme mécanique……………………………………………..10
II.1.2. Capteurs de forces………………………………………………..12
II.1.3. Module d’acquisition Arduino…………………………………..13
II.1.4. Conception du PCB……………………………………………….16
II.1.5. Programmation MATLAB………………………………………..19
III. BILAN DES ACTIVITÉS…………………………………………………………...24
III.1
Arrimage formation pratique/universitaire………………………………24
III.2
Travail d’équipe………………………………………………………….24
III.3
Respect de l’échéancier…………………………………………………24
III.4
Analyse et discussion……………………………………………………25
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS…………………………………………26
Bibliographie……………………………………………………………………………27
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TABLE DES FIGURES
Figure1 : Plateforme d’une pèse personne……………………………………………….10
Figure2 : plateforme de mesure d’équilibre……………………………………………...11
Figure3 : Cellule de charge (FX1901)………………………………………………….12
Figure 4 : module d’acquisition Arduino UNO………………………………………….13
Figure 5 : format des données envoyées par le PCB…………………………………….14
Figure 6 : Code implémenté sur l’Arduino………………………………………………15
Figure 7 : schématique du PCB………………………………………………………….17
Figure 8 : schématique de l’alimentation sur le PCB……………………………………18
Figure 9 : PCB final……………………………………………………………………...19
Figure 10 : Code Matlab pour le dessin du centre de masse……………………………20
Figure 11 : test d’appuis sur les quatres capteurs………………………………………..21
Figure 12 : test d’appui arbitraire sur la plateforme……………………………………..22
Figure 13 : test d’une personne se tenant droite sur la plateforme………………………23
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INTRODUCTION
Ce projet vise à développer une plateforme qui sera destinée à déterminer la capacité
d’une personne, qui se tient debout sur cette dernière, à maintenir son équilibre. Et cela
en dessinant le mouvement du centre de masse de la personne afin de déterminer la
gravité d’une maladie.
La maladie en question est l’ARSACS (Ataxie Récessive Spastique Autosomique de
Charlevoix-Saguenay)
qui
est
traitée
par
la
fondation
de
L’ataxie
de
Charlevoix/Saguenay.
Ainsi, à travers ce rapport, il sera fourni la méthodologie de conception suivie qui est la
conception de la plateforme, la réalisation du PCB ainsi que la description du programme
développé pour ensuite finir avec les résultats obtenus et la discussion des atteintes des
objectifs initiaux du projet.
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I .PRÉSENTATION DU PROJET
I.1. DESCRIPTION DE L’ÉQUIPE DE TRAVAIL
Coordonnateur :
Jacques Paradis.
Promoteur :
Hung Tien Bui, Fondation de l’Ataxie de Charlevoix-Saguenay.
Conseiller :
Hung Tien Bui.
Support Technique : Francis Deschênes, Hung Tien Bui
I.2. PROBLÉMATIQUE DU PROJET
La fondation de l’ataxie Charlevoix-Saguenay est une entité qui contribue depuis
longtemps à l’étude de la maladie qui porte son nom, L’ataxie récessive spastique
autosomique de Charlevoix-Saguenay (ARSACS). Cette dernière est héréditaire et ses
premiers symptômes apparaissent chez les enfants de 2 à 5 ans. Elle se traduit par une
dégénérescence de la moelle épinière ce qui cause une perte progressive du contrôle de
mouvements des membres du corps humain.
Ce qui rend cette maladie à part c’est le fait qu’elle ne touche que les personnes qui
habitent cette région (Charlevoix/Saguenay), et qu’elle ne se manifeste que dans certaines
générations même si le gène est présent dans toutes les générations. [1]
La problématique du projet se situe dans le fait que l’évolution de la maladie n’est pas
facilement mesurable, et sa progression dans le temps n’est pas bien déterminée.
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Une des solutions possibles, afin de déterminer l’état d’avancement de cette maladie, est
de pouvoir quantifier le déséquilibre d’une personne atteinte de cette maladie, dans le but
de déterminer le stade où se situe la personne.
I.3. OBJECTIFS GÉNÉRAUX ET SPÉCIFIQUES DU PROJET
L’objectif principal du projet consiste à développer une plateforme pour l’évaluation de
l'ataxie de Charlevoix/Saguenay.
En effet, une personne atteinte de cette maladie démontre de la difficulté à garder
son équilibre (que ce soit en position debout vers le début de la maladie ou en position
assise dans un stade avancé de cette dernière) et donc, tend à osciller lorsqu'elle tente de
rester immobile.
Dû à ce déséquilibre, la position de son centre de masse tend à changer, et ainsi la
quantification de ce changement pourra être utilisée pour évaluer la sévérité de la
maladie.
Ainsi les objectifs généraux de ce projet, qui sont les mêmes élaborés au début du projet,
ont été respectés et réalisés à savoir la conception de la partie mécanique se résumant en
une plateforme, aussi la conception et la réalisation d’un PCB possédant les
caractéristiques spécifiques au projet et aussi la programmation d’un algorithme de
traitement des données émanant du PCB afin de calculer la position du centre de masse.
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II.
ASPECTS
TECHNIQUES
ET
ÉLÉMENTS
DE
CONCEPTION RELATIFS AU PROJET
A travers cette section, seront présentés principalement les différents éléments de
conception utilisés lors de ce projet. À travers chaque élément sera fournie une
description détaillée ainsi que l’aspect technique auquel il touche dans ce projet.
II.1. ÉLÉMENTS DE CONCEPTION
Les éléments de conception dans ce projet touchent généralement à trois aspects, qui sont
l’aspect mécanique, l’aspect électrique et l’aspect informatique. Certains de ces éléments
on été fournis par le conseiller (Monsieur Tine Bui) ce qui a permis de sauver de l’argent
sur le budget réservé au projet. D’autres ont été conçus de A à Z pour répondre aux
besoins spécifiques du projet.
II.1.1. Plateforme mécanique
Au début du projet, l’idée de la plateforme a été d’utiliser la plateforme d’un pèse
personne, vu que cette dernière présentait les caractéristiques voulus en terme de design
et disposition des capteurs.
Figure1 : Plateforme d’une pèse personne
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En effet la plateforme a été démontée afin de pouvoir étudier sa structure interne et voir si
cela peut être bénéfique au projet.
Après étude, il a été conclu que les capteurs utilisés sur la pèse personne ne possédait
aucune fiche technique.
Après beaucoup de recherche et la consultation des techniciens de l’université, il a été
conclu que ces capteurs n’étaient fabriqué que pour le concepteur de la pèse personne,
aussi ces derniers présentaient un seul signal de sortie sans un signal de référence ce qui
n’était pas intéressant dans le cadre du projet.
Aussi, le point de fixation des capteurs ne pouvait pas être modifié afin d’insérer d’autre
capteurs. Cela aurait demandé beaucoup plus de travail.
Ainsi, afin de respecter l’échéancier du projet et de bien le mener à terme, il a été plus
intéressant d’utiliser la plateforme fournie par le professeur.
Figure2 : plateforme de mesure d’équilibre
La figure 2 montre la plateforme utilisée dans le projet afin de quantifier le déséquilibre
d’une personne qui se tient debout sur elle.
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II.1.2. CAPTEURS DE FORCES
Les capteurs de forces ont une structure interne basée sur les jauges de contraintes.
Une cellule de charge est un composant électrique capable de traduire une déformation
mécanique (la pression) en une variation de résistance et ainsi de quantifier ce qui est
qualitatif
Les capteurs de force, dans ce projet, constituent des pièces maitresses à la réalisation de
ce dernier.
En effet, ils vont permettre de mesurer la dispersion du poids sur la plateforme.
Figure3 : Cellule de charge (FX1901)
Comme le montre la figure 3, le capteur de force utilisé dans ce projet est un FX1901, il
peut supporter une pression allant jusqu’à 100 livres.
Cela implique que la plateforme munie de ces 4 capteurs peut supporter une pression
totale de 400 livres ce qui est amplement suffisant pour une personne normale.
Ces capteurs de forces sont montés à l’intérieur en pont de Wheatstone, qui est composé
de 4 jauges de contraintes. Ces dernières traduiront une déformation mécanique en
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variation de résistance, et le pont de Wheatstone permettra de traduire cette variation de
résistance en une variable électrique (tension) quantifiable.
Personne applique
une pression
Cellule de charge
traduit
en
une
résistance
Pont de Wheatstone
traduit
en
une
tension électrique
II.1.3. MODULE D’ACQUISITION ARDUINO
Figure 4 : module d’acquisition Arduino UNO.
Il s’agit du PCB de la compagnie Arduino, qui est aussi programmé en langage Arduino.
Ce PCB a servi pour effectuer les tests du programme de calcul développé, en effet il a
permis d’acquérir les données puis de les convertir du format analogique en un format
numérique pour ainsi faciliter leur manipulation.
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Les entrées pour Ce PCB sont les valeurs amplifiées des capteurs (A0, A1, A2 et A3)
comme illustré dans la figure 4.
La sortie est son port USB qui est simulé en RS 232 pour assurer une communication
série avec le PC.
Et voici le résultat de la communication entre l’Arduino et le PC, une fois les données
envoyées :
Figure 5 : format des données envoyées par le PCB
On remarque d’après la figure 5 que les données sont envoyées sous forme d’une ligne de
4 valeurs (les valeurs des capteurs au repos dans la figure), séparés par une virgule.
Le code qui a permis l’envoi de ces données est implémenté sur le logiciel Arduino
comme le montre la figure 6.
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Déclaration des variables d’entrées
Définition du baud rate pour pouvoir
communiquer avec le PC (avec le même
débit)
Acquisition des données émanant des
amplificateurs en utilisant la commande
analogRead
Envoi des données sur le port série
(COM5) sous le format montré à la
figure5
Figure 6 : Code implémenté sur l’Arduino
Il est à mentionner que pour les tests, des amplificateurs externes ont été utilisés pour
l’amplification, d’où la nécessité de concevoir un PCB qui rassemble les différents
composants nécessaires à la réalisation de ce projet.
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II.1.4. CONCEPTION DU PCB
Comme mentionné dans la dernière section il a été nécessaire de concevoir un PCB qui
rassemble tous les composants nécessaires à ce projet.
En analysant les besoins du projet, il a été constaté l’importance d’avoir des
amplificateurs sur le PCB (INA126), ensuite leurs sorties seraient des entrées pour la
pièce maîtresse qui est le microcontrôleur (ATMEGA168).
Une fois ces deux pièces réunis il fallait avoir un lien de communication vers l’extérieur.
Ainsi l’ UART USB, qui simule une connexion RS232 (port série), a été choisi. Ensuite il
fallait avoir de pins sur le PCB pour pouvoir programmer le bootloader du µC (mini
programme qui permet de lancer le programme à exécuter et de reseter le µC).
Pour finir, il faut alimenter tout ces composants. Mais il faut résoudre le problème des
amplificateurs qui sont alimentés en +/-5V. Donc il a été nécessaire de trouver un
régulateur de tension qui permet d’avoir deux tensions opposées.
Il a été choisi un régulateur, qui d’une tension 12 V, permet d’avoir un +12V et un -12V.
Ensuite chaque tension (positive ou négative) sera appliquée à un autre régulateur pour la
ramener à la tension voulue, soit le +5V ou le -5V.
Après ce raisonnement, il a fallut passer à la réalisation des schématique sur l’outil
Altium qui est un outil de conception très puissant de PCB et d’autres plaques
électroniques tel que les FPGA.
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Et voici le schématique du PCB :
Figure 7 : schématique du PCB
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Figure 8 : schématique de l’alimentation sur le PCB
Une fois le schématique fini, on est passé à la réalisation du PCB sur Altium en
effectuant les chemins entre les dessins (footprint) des différents composants du PCB.
Ainsi le PCB a été dessiné et tout les chemins sur ce dernier établies.
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Et voici la figure montrant le PCB final.
Figure 9 : PCB final
Il est à mentionner que l’opération de soudage des composants a été effectuée par le
technicien du laboratoire Monsieur Francis Deschênes.
II.1.5. PROGRAMMATION MATLAB
Matlab a été le logiciel choisi pour assurer la communication avec le PCB, à travers le
port série. (En utilisant une librairie (toolbox) spécifique qui facilite cette opération)
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Et voici le code implémenté sur Matlab :
Figure 10 : Code Matlab pour le dessin du centre de masse
Le code a été structuré de la façon suivante :
-
Création du lien de communication (s) et définition des propriétés de ce dernier.
-
Ouverture du lien.
-
Début de la boucle.
-
Envoi de la commande de synchronisation pour signifier à l’Arduino que le
programme est prêt à recevoir les données.
-
Lire la ligne.
-
Convertir les données sous format string en numérique et les affecter aux
variables.
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-
Applications des fonctions de calcul de la position du centre de masse (fonctions
intuitives pouvant être améliorée).
X=
Y=
-
Dessin du centre de masse.
-
Fin de la boucle.
-
Fermeture du lien de communication.
-
Destruction de la variable affectée au lien.
Les résultats obtenus, en exécutant en premier lieu le code de l’Arduino et en second lieu
celui sur Matlab, sont satisfaisants car il a été possible de dessiner le centre de masse
d’une personne se tenant debout sur la plateforme. Mais comme indiqué le calcul du
centre de masse peut être optimisé en utilisant d’autres fonctions.
Et voici les images qui le montrent :
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Figure 11 : test d’appuis sur les quatres capteurs
Ce test s’est résumé à appuyer sur chaque coin de la plateforme, et on remarque bien que
le centre de masse suit vraiment la zone d’appui sur la plateforme.
Ensuite un autre test a été effectué, dont voici l’image.
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Figure 12 : test d’appui arbitraire sur la plateforme.
Ce test se résume à ce qu’une personne se tienne sur la plateforme et se met à bouger. On
remarque que le point sur la figure suit bien le centre de masse de la personne.
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Figure 13 : test d’une personne se tenant droite sur la plateforme.
On remarque pour ce test que les centres de masse dessinés sont tous localisés dans une
région bien précise ce qui confirme que la personne possède un bon équilibre sur la
plateforme.
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III. BILAN DES ACTIVITÉS
III.1 ARRIMAGE FORMATION PRATIQUE/UNIVERSITAIRE
Les connaissances acquises lors de la formation universitaires ont été d’un grande aide
dans l’élaboration de ce projet, et surtout dans la compréhension des différents aspects
auxquels il touche. Que se soit un aspect de mon domaine d’étude (qui est l’informatique)
ou d’autres domaines tels que la mécanique ou l’électronique. Ainsi le cours de matériaux
m’aidé à comprendre le principe des capteurs de forces et surtout des jauges de
contraintes (déformation élastique, et déformation mécanique). Ensuite les cours
d’électroniques et Mesures et instrumentations m’ont permis d’apprendre comment
utiliser un datasheet pour pouvoir lire un datasheet et comprendre les spécifications des
différentes pièces ce qui m’a permis de bien choisir les pièces du PCB.
Aussi à travers ce projet j’ai pu concevoir pour la première fois un PCB ce qui représente
un plus dans ma formation.
III.2 TRAVAIL D’ÉQUIPE
Ce projet a été effectué de manière individuelle. La seule contribution a été de la part de
Monsieur Francis deschênes, technicien à l’université, dans le soudage des composants
sur le PCB, aussi Monsieur Tien Bui conseiller dans ce projet m’a aidé par ses conseils
qui m’ont facilité la compréhension des différentes parties du projet. Aussi les idées
d’autres étudiants que j’ai appris à mieux connaitre m’ont bien aidé car ça m’a permis de
connaitre d’autres façons de faire les choses.
III.3 RESPECT DE L’ÉCHÉANCIER
La réalisation du projet a respecté dans sa majorité l’échéancier élaboré au début de la
session, et les résultats attendu pour le projet ont été atteint.
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III.4 ANALYSE ET DISCUSSION
Les résultats obtenus dans ce projet sont satisfaisants, mais il reste un autre aspect qui
pourrait donner plus de précision aux figures (12,13) montrés dans ce rapport. Ce point
c’est le calcul d’air de la surface qui pourrait être plus significatif et quantifier plus le
déséquilibre d’une personne en une valeur réelle, mais ca restera une valeur
approximative vu que la surface couverte par le centre de masse n’est pas uniforme.
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CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
En conclusion, la réalisation du projet a permis de respecter en premier lieu l’échéancier,
Et les objectifs principaux énoncés au début du projet en deuxième lieu. Ainsi la
conception et réalisation du PCB et la programmation sur Arduino et sur Matlab a été
effectuée afin d’arriver à un résultat satisfaisant. Cela rend ce projet un succès.
En effet à travers ce projet, les personnes atteintes de l’ARSACS pourront avoir un
moyen de constater l’évolution de la maladie. LA fondation de l’ataxie de CharlevoixSaguenay aura ainsi un moyen pour mieux évaluer la progression de L’ARSACS.
Certes L’idée de quantifier le déséquilibre est un bon moyen pour évaluer l’évolution de
la l’ARSACS mais d’autres tests pourront aussi être déployés pour connaitre d’autres
aspects de cette maladie.
En recommandation, une attention plus particulière à l’esthétique de la plateforme
pourrait être un atout pour le projet. Aussi, les fonctions de calcul des coordonnées du
centre de masse pourraient être améliorée afin d’obtenir des résultats plus pointilleux
destinés à d’autres applications qui ont en besoin.
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Bibliographie
[1] www.ARSACS.com
www.arduino.cc
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