PSI* Lycée P.Corneille tp_ chariot_modifie.doc

Travaux Pratiques.

Etude du chariot filoguidé.

Temps alloué 2heures Matériel à disposition :-le chariot accus chargés (tirez l'arrêt d'urgence et positionner l'interrupteur sur l'alimentation externe) -un ordinateur avec le logiciel de pilotage du chariot -un dossier ressource en fin de sujet Vérifiez l'alimentation du fil matérialisant le parcourt.

Objectifs :

-analyser le fonctionnement des chaînes fonctionnelles qui participent au suivi de fil -modéliser l’asservissement d’orientation de la roue. 1. Découverte et appropriation du système

F Lire les principes généraux des chariots filoguidés dans le document ressource. @ Décrire en quelques lignes le principe du filoguidage inductif.

1.1. Mise en œuvre du chariot filoguidé

Afin d’appréhender les diverses possibilités du système et comprendre son fonctionnement, différents manipulations sont mises en œuvre. Les différentes procédures à suivre sont décrites dans le document ressource ainsi que les principes des capteurs. F Réaliser - un essai en suivi de fil, - les différents tests des capteurs.

1.2. Etude fonctionnelle du système

L’objectif est ici d’identifier les différents constituants du chariot filoguidé par un schéma fonctionnel décomposée en chaîne d’énergie et chaîne d’information. L’étude porte tout d’abord sur la partie opérative qui assure 2 fonctions : entraîner et orienter le chariot. @ En utilisant le système et le document réponse 1 : - entourer les éléments qui participent à chacune de ces fonctions : en rouge l’entraînement et en vert l’orientation, - indiquer dans chaque case le nom précis du composant.

Page 2 @ Compléter le schéma fonctionnel (document réponse 2) en précisant le nom précis des composants et leur fonction. Aider v ous du système, de différents essais effectués et du document ressource.

2. Etude de l’orientation de la roue du chariot

On étudie la fonction technique : Orienter la roue du chariot. On souhaite réaliser l’identification expérimentale de l'asservissement gérant l'orientation de la roue du chariot filoguidé. Lorsque le chariot se déplace avec activation de suivi de fil, l'orientation de la roue directrice et motrice est asservie au décalage du chariot par rapport au fil : fil décalage θ On note : - y : le décalage du chariot par rapport au fil ; - θ : l’angle d'orientation de la roue directrice (en degrés) ; - M θ : la mesure en numérique de l’angle θ (en incrément décimal) ; - C θ : la consigne numérique de l’orientation de la roue (en incréments) ; - K po : le coefficient de l’action proportionnelle du correcteur. y y (en mm) Captage décalage chariot consigne C θ (en incréments) Asservissement orientation roue θ (en degrés) L'asservissement de l'orientation de la roue directrice doit permettre un suivi de fil satisfaisant. On peut mettre l'asservissement de la roue sous forme de schémas blocs : C θ (p) K po H(p) θ (p) C θ (p) K po H(p) µ M θ (p) A θ (p) M θ (p) µ roue} et K po est le gain du correcteur proportionnel. H(p) représente la fonction de transfert de l'ensemble {interface de puissance + moteur + réducteur + @ Quelle valeur doit-on donner à A pour obtenir deux schémas blocs équivalents ?

2.1. Essai statique

F Positionner le chariot sur ses cales, mettre l’alimentation stabilisée et le chariot sous tension (en actionnant le bouton d’urgence). Le chariot est alimenté par une alimentation extérieure. Brancher la liaison série RS232. Lancer le logiciel M-fil.

Page 3 Choisir le menu [Etudier]/[Orientation roue]/[Réponse à un échelon]. Sélectionner les points de mesures en cliquant sur l’icône puis sur les points de mesures θ , U θ et M θ . Donner à Kpo la valeur 8 (Z m = 0). @ Compléter le tableau, puis tracer les caractéristiques U θ et M θ en fonction de θ ainsi que θ en fonction de C θ . Pour cela, effectuer plusieurs essais pour des valeurs différentes de consigne numérique C θ : définir, par exemple, un échelon de consigne de 80 inc ($ 50), puis cliquer sur Relever les valeurs. Cliquer ensuite sur Stop Start . . Recommencer cet essai avec les autres valeurs de C θ . @ Le capteur d’orientation de la roue est-il linéaire ? Quel est le rôle du bloc décalage au niveau de la conversion analogique numérique ? @ En déduire la valeur du coefficient de transfert du capteur d’orientation de la roue défini par µ = M θ θ . @ En déduire la valeur du gain statique de l’asservissement d’orientation de la roue / C θ cette valeur à µ . Conclusion. . Comparer

2.2. Essai indiciel

F Rester dans le menu [Etudier]/[Orientation roue]/[Réponse à un échelon]. Cocher (en cliquant sur les points de mesure) C θ (rouge) et M θ (bleu) sur le schéma synoptique. Garder les valeurs K po = 8 et Z m = 0. Vérifier que l'icône Sélectionner le régime d'échelon grâce à l'icône Choisir un échelon de consigne C θ = θ . = 15° (correspondant à 21 incréments). Stop . Start @ Relever l’allure de la réponse ainsi que les caractéristiques principales : valeur finale (en incrément), premier dépassement relatif D 1 (en %) et pseudo-période T (changer éventuellement les échelles avec les boutons et ). @ X Vérifier que la valeur numérique Y µ du capteur est cohérente avec le résultat précédent. @ La fonction de transfert F(p) = est-elle ordre 1 ou 2 ? Justifier votre réponse. @ Donner la forme canonique de cette fonction de transfert si on note le gain statique K F , le coefficient d'amortissement m F et la pulsation propre ω F . @ En déduire les valeurs numériques de K F , m F et ω F . On rappelle les relations entre D 1 , T, m F et − π m ω F : D 1 = e − 2 et ω F = 2 π − 2 .

@ Tracer sur le document réponse 4 le diagramme de Bode asymptotique de F(p) (gain et phase), esquisser l’allure des courbes réelles.

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2.3. Identification de la « chaîne d’énergie de l’orientation de la roue »

On suppose que la fonction de transfert H(p) peut être mise sous la forme H(p) = p(1 α + τ 0 p) . @ Quelle est la classe de H(p) (nombre d’intégration) ? Justifier cette classe. @ Déterminer expérimentaux. α et τ 0 en fonction de K F , m F et ω F . Calculer α et τ 0 à partir des résultats @ Quelle est l'influence du gain K po du correcteur sur le comportement de l'asservissement en boucle fermée? F Refaire l'essai pour des valeurs croissantes de K po (ne pas oublier de remettre le chariot sous tension avant de relancer le logiciel M-fil). Faire une synthèse de vos observations.

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DOSSIER RESSOURCE

Introduction au chariots filoguidés Mise en œuvre du chariot Test des différents capteurs Schéma bloc de l’asservissement en suivi de fil du chariot Documents réponse

Introduction au chariots filoguidés

Apparus dans les années 1960, les chariots filoguidés ont mis une vingtaine d'années à entrer dans les mœurs et à être acceptés par les industriels. Conçus à l'origine pour alléger les travaux de terrassement imposés par les solutions à base de chariot ou de transpalettes tractés par chaîne de convoyeur, ils se sont substitués, au fil des années, à ces techniques de transport grâce à leur flexibilité. Il est tellement plus simple de modifier le circuit d'un chariot filoguidé que celui d'un convoyeur à chaîne. Aujourd'hui, de nombreux chariots filoguidés sont utilisés dans des ateliers entièrement automatisés pour le transfert automatique des pièce en cours de transformation entre les différents postes de travail. La manutention des pièces est réalisée sur les postes par des robots manipulateurs, ce qui permet de supprimer quasiment la présence humaine. Le concept de tels ateliers aussi appelés ateliers flexibles permet, par une gestion informatique de la programmation des différents acteurs, de modifier très rapidement la production de ceux-ci.

Deux types de guidage sont utilisés à ce jour :

Le guidage inductif :

De loin le plus utilisé, il consiste à noyer dans une saigné de faible profondeur pratiquée dans le sol, un fil conducteur parcouru par un courant de faible intensité et de fréquence déterminée. Le champ créé par le passage de ce courant est capté par des bobines de détection constituant le capteur de position. Les informations issues de ces bobines permettent d’orienter la roue directrice afin de coller à la trajectoire définie par le fil. Commande moteur RECEPTION AMPLIFICATION

Le guidage optique

D'une conception plus récente, il utilise un laser qui permet, par balayage sur des balises fixes, de déterminer la position du chariot par rapport à son lieu d'évolution. La trajectoire à parcourir étant stocké en mémoire il est alors très facile de reconfigurer leur chemin.

Caractéristiques mécaniques du chariot MP22

Le chariot filoguidé est constitué : Ø d'un châssis en aluminium supportant les roues et le support moteur position DE DIMENSION 550x350x200 mm Ø d'une façade en fibre supportant les capteurs à ultra son, le gyrophare, le capteur et l'émetteur infra rouge et le bouton d'arrêt d'urgence. Ø d'un support moteur comportant le moteur de direction, le réducteur et le capteur de position. Ø d'un support moteur d'avance lié à l'arbre de sortie de direction composé d'un moteur, de son capteur optique, d'une réduction et de la roue de traction et de direction. Ø de deux roues libres constituant avec la roue motrice un appui plan. Ø Les moteurs ont une puissance respective de 3 W pour la direction et 6 W pour l'avance.

Le captage Capteur à ultrasons

La carte est équipée de capteurs à ultrasons permettant de détecter suivant trois directions (gauche, milieu, droite) la présence d'un obstacle.

Capteur de chocs

Le chariot peut détecter une collision grâce à un capteur lié mécaniquement avec le pare-chocs avant.

Lecteur code barre

Le chariot peut acquérir des informations sur le circuit sous forme de codes barres.

Capteur de position et de vitesse

Un capteur incrémental associé au moteur d'entraînement de la roue permet d'obtenir les informations nécessaires à l'asservissement de vitesse et de position (gestion millimétrique de l'avance) du chariot.

Capteur de détection du fil

Le guidage du chariot est réalisé en utilisant deux capteurs de champ magnétique, disposés de part et d'autre de la roue, permettant d'obtenir une information analogique de sa position par rapport au fil. D'autre part deux autres capteurs disposés perpendiculairement aux précédents permettent d'obtenir une information analogique sur la présence d'une intersection.

Capteur de direction

Un potentiomètre de recopie permet de connaître la position de la roue. Cette information est utilisée d'une part pour l'asservissement permettant de suivre le fil et d'autre part pour détecter un virage (dans un virage la vitesse du chariot est réduite).

Capteur à infrarouge

Pour la réception d'ordre de télécommande, le chariot est équipé d'un récepteur à infrarouge comprenant le code RC5.

Les asservissements

L'asservissement du

moteur d'avance

est réalisé par un circuit spécialisé HCTL1100 Le micro système définit une consigne pour la vitesse d'avance qui est envoyée au circuit HCTL1100 qui gère l'asservissement de vitesse. A partir de cette consigne et des informations provenant du capteur optique à deux voies en quadrature situé sur le moteur, celui-ci génère les signaux MLI (Modulation à Largeur d'impulsion = PWM). L'interface de puissance convertit ces commandes en tensions capables d'alimenter le moteur d'avance en limitant si nécessaire le courant débité et l'asservissement du moteur de direction est réalisé par un programme 68000. La commande des moteurs à courant continu se fera par modulation de largueur d'impulsion (MLI ou PWM en anglais)

Codeur en quadrature

La mesure d'une rotation peut être effectuer par un grand nombre de méthode plus ou moins complexes et précises. Parmi celle-ci, l'utilisation d'un codeur en quadrature permet avec du matériel simple d'obtenir une image d'une rotation par comptage de fronts créés par le passage d'un disque ajouré devant deux fourches optiques. La détection du retard de l'un des signaux par rapport à l'autre permet de détecter le sens de rotation.

Fourches optiques Voie A Voie B ∆ Voie A Voie B ∆ Voie A Voie B

Sens de rotation Allure des signaux

Modulation en largeur d'impulsion (MLI)

En utilisant un HCTL1100 pour l'asservissement du moteur d'avance, deux possibilités de commande sont prévues : Par un port parallèle 8 bit permettant l'interfaçage avec un convertisseur numérique analogique ou alors par un port MLI (PWM en anglais). C'est cette dernière solution qui a été choisie pour la commande du moteur. U Commande en modulation de largeur d'impulsion (MLI) t Tension continue équivalente Le moteur

d'orientation de la roue

est asservit en position en prenant en compte la consigne de direction. Celle ci peut provenir pour le fonctionnement en chariot filoguidé de la fonction détection de fil et/ou de croisement ou d'une consigne programmé.

Fonction détection de fil

Deux bobines, placées de part et d'autre et perpendiculairement au fil directeur, captent le champ magnétique créé par un courant à 70 Khz circulant dans celui-ci,

les deux signaux reçus sont transformés en deux tensions proportionnelles à la distance entre les bobines et le fils. Ces deux valeurs analogiques sont alors converties en valeurs numériques et sont utilisées dans l'algorithme d'asservissement de la direction. RECEPTION AMPLIFICATION CPT_FIL_G CPT_FIL_D Traitement ANALOGIQUE Traitement ANALOGIQUE DET_FIL_G DET_FIL_D

Signal de recopie position par potentiomètre

La mesure de la direction est réalisée par couplage d'un potentiomètre sur l'axe de rotation de la roue. La tension aux bornes du potentiomètre est l'image de la direction de la roue.

Potentiomètre Recopie MOTEUR POSITION

Volt 2,5 1,25

MOTEUR AVANCE

Les communications

-90 00 0 7F 90 FF Angle Valeur conv.

La liaison série RS232

La carte est équipée d'une liaison RS232 haut débit (38400 Bauds ) permettant la communication - à poste fixe - avec un système extérieur.

La télécommande infra rouge

Le chariot est capable d'émettre et de recevoir des informations par infrarouge en utilisant le code RC5. La télécommande infrarouge est gérée par le bus I 2 C.

Le bus I²C

Une interface I²C est présente pour permettre l'interfaçage facile de périphériques additionnels.

Le signal sonore

Le chariot est capable d'émettre un signal sonore d'information ou d'avertissement.

L'Afficheur

Un afficheur de huit caractères permet de visualiser le mode de fonctionnement du chariot . En fonctionnement normal celui-ci peut être coupé pour prolonger la durée de vie des batteries.

L'interface d'entrées sorties binaires

Un port de 8 entrées et 8 sorties est à la disposition de l'utilisateur. Afin de faciliter la transmission de données par cette interface, deux lignes de contrôles bidirectionnelles ont été intégrées.

Le clavier

Afin de faciliter la communication entre le chariot et l'utilisateur, un clavier à quatre touches a été implanté sur la carte, permettant en liaison avec l'afficheur et un système de menu "déroulant", de paramètrer le fonctionnement du chariot.

Schéma bloc de l’asservissement en suivi de fil du chariot

Les chariots filoguidés.

+ - Consigne de décalage chariot/fil = 0 Consigne d’orientation roue Correcteur 1 + - Signal de commande

Correcteur 2

orientation roue Motorisation de l’orientation roue Vitesse du chariot V Modèle cinématique du chariot Décalage du fil / référence décalage chariot/fil + + Image électrique du décalage chariot / fil Mesure de l’orientation roue/chariot Mesure du décalage du chariot par rapport au fil Décalage du chariot / ligne de référence

Fil conducteur Batterie

Mise en œuvre du chariot

Arrêt urgence (marche/arrêt) Alimentation externe Choix alimentation externe ou batterie Générateur (70 kHz)

Fonctionnement du clavier

Les touches ont les fonctions suivantes : Initialisation Décrémentation

C - +

Validation Incrémentation

Procédure

Poser le chariot sur la table de telle façon que la roue soit sur le fil, le chariot étant alimenté par une batterie. Alimenter le fil avec le générateur de fil. Mettre le chariot sous tension (en débloquant l'arrêt d'urgence). Avec la touche , sélectionner l'application

SUIV_FIL

et valider par → Donner une consigne de vitesse de

20

incréments avec la touche et valider par pour faire → démarrer le chariot :

surveiller le chariot pour qu'il ne tombe pas de la table !

Tests des différents capteurs

Pour tous ces tests, l’utilisation du clavier est la même que celle décrite pour le suivi de fil.

Ÿ Réception des codes infra-rouge

Cette commande permet de tester la réception des codes infra rouge. Sélectionner l’application

I_ Rouge

. Pointer la télécommande v ers le capteur. Appuyer sur une touche (par exemple 1). L’afficheur indique le résultat (valeur hexadécimale) :

Ÿ Détection du fil C_I = 01

Cette commande permet de visualiser la tension des capteurs de détection du fil. Sélectionner l’application *

D. fil*

. Positionner le chariot au dessus du fil et vérifier les indications relativ es des capteurs. L’afficheur indique par exemple :

Capteur fil gauche Capteur fil droit dg10dd05 Ÿ Détection d’un croisement

Cette commande permet de v isualiser la tension des capteurs de détection de croisement. Sélectionner l’application *

D. cro*

. Déplacer le chariot au dessus du croisement et vérifier les indications relativ es des capteurs. L’afficheur indique par exemple :

Capteur croisement gauche Capteur croisement droit cg10cd05 Ÿ Détection d’un code barre

Cette commande permet de lire un code barre, le chariot s’arrête lorsqu’il a lu un code barre (valeur hexadécimale).

ATTENTION : le chariot avance linéairement, veiller à ce qu’il ne tombe pas.

Sélectionner l’application

C. barre

. Positionner le chariot quelques centimètres avant une étiquette et vérifier les indications. L’afficheur indique par exemple :

Ÿ Détection d’un obstacle C_B=01

Cette commande permet de teste la détection des ultra sons. Sélectionner l’application

Ultrason

. Déplacer un obstacle devant les détecteurs (lire le principe de ces capteurs). L’afficheur indique :

Ultra son centre Ultra son gauche Ultra son droite

us000000

Objet proche gauche Objet proche droite Objet proche centre

Document 1

Document réponse

Document 2

ACQUERIR Fournir une image de l’angle de rotation Fournir une image de la position et la vitesse Obstacle Etiquettes avec code barre Détecter les obstacles Acquérir des informations sur le circuit Fil alimenté Consigne télécommande Guider le chariot Recevoir les ordres de la télécommande Consigne opérateur Consigne opérateur Détecter l’ordre de mise en marche Acquérir les consignes TRAITER COMMUNIQUER Dialoguer avec des périphériques Carte MP22 - Traiter les différentes informations reçues - Elaborer les commandes des moteurs - Dialoguer avec les périphériques… Dialoguer avec l’ordinateur Afficheur Visualiser les modes de fonctionnement Buzzer Emettre un signal sonore d’avertissement Commande rapprochée des hacheurs Elaborer les signaux de commande des hacheurs Chaîne d’information Périphérique Ordinateur Affichage Signal sonore Charge à un emplacement n ALIMENTER Alimenter en énergie (12 V 2,5 Ah) Chaîne d’énergie DISTRIBUER CONVERTIR Distribuer l’énergie électrique au moteur Distribuer l’énergie électrique au moteur Position et vitesse TRANSMETTRE Orientation AGIR Axe Roue Charge à un emplacement n+1

Document 3

C θ θ U θ M θ

Document 4 10 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 10 0 50 0

Gain en dB Phase en °

0 -50 -100 -150 -200 10 0 M θ en inc +100 5 5 -100 10 1 10 1 U θ en V + 5 + 4 + 3 + 2 + 1 θ en ° 5 5 -100 + 20 0 -40 -60 θ en ° C θ en inc 10 2 10 2 5 5 10 3 10 3 ω

en rad/s

ω

en rad/s