Comment fabriquer un Robot - Leçon 7 : Utiliser des capteurs

Index des leçons :

• Leçon 1 - Mise en route
• Leçon 2 - Choisir une plate-forme robotique
• Leçon 3 - Donner un sens aux actionneurs
• Leçon 4 - Comprendre les microcontrôleurs
• Leçon 5 - Choisir un contrôleur de moteur
• Leçon 6 – Contrôler votre robot
• Leçon 7 - Utiliser des capteurs
• Leçon 8 - Disposer des bons outils
• Leçon 9 - Assembler un robot
• Leçon 10 - Programmer un robot

Contrairement aux humains, les robots ne sont pas limités aux seuls toucher, vue, ouïe, odorat et goût. Les robots utilisent divers capteurs électromécaniques différents pour explorer et comprendre leur environnement et eux-mêmes. Émuler les sens d'une créature vivante est actuellement très difficile, c'est pourquoi les chercheurs et les développeurs ont eu recours aux solutions de rechange que sont les sens biologiques.

Que peut détecter un humain, et qu'un robot ne peut pas ?

Les robots peuvent « voir » mais ont du mal à comprendre ce qu'ils observent. Grâce à une caméra un robot peut être en mesure de percevoir une image composée de millions de pixels, mais sans programmation importante, il ne saura pas ce que signifient ces pixels. Des capteurs de distance indiqueront la distance à un objet, mais n'empêcheront pas un robot de foncer dedans. Les chercheurs et les entreprises font des expériences avec diverses approches différentes afin de permettre à un robot de non seulement « voir », mais également « comprendre » ce qu'il observe. Il peut se passer encore bien du temps avant qu'un robot ne soit capable de différencier les objets placés devant lui sur une table, surtout s'ils ne sont pas exactement les mêmes que ceux qui se trouvent dans sa base de données d'objets. Les robots ont du mal à ressentir le goût et l'odorat. Un être humain est en mesure de vous dire « ce goût est sucré » ou « ça sent mauvais » alors qu'un robot aurait besoin d'analyser la composition chimique et ensuite de regarder la substance dans une base de données pour déterminer si les humains ont marqué le goût comme étant « sucré » ou l'odeur comme étant « mauvaise ». Il n'y a que peu de demande pour un robot doté du sens du goût ou de l'odorat, c'est pourquoi peu d'efforts ont été réalisés dans la création des capteurs appropriés. Les êtres humains disposent de terminaisons nerveuses sur toute leur peau, c'est pourquoi nous savons quand nous avons touché un objet ou quand quelque chose nous a touché. Les robots sont équipés de boutons ou de simples contacts placés à des endroits stratégiques (par exemple sur un pare-chocs avant) pour déterminer s'ils sont entrés en contact avec un objet. Les robots de compagnie peuvent disposer de capteurs de contact ou de force placés dans leur tête, leurs pieds et leur dos, mais si vous essayez de toucher une zone où il n'y a pas capteur, le robot n'a aucun moyen de savoir qu'il a été touché et ne réagira donc pas. Comme la recherche sur les robots humanoïdes se poursuit, peut-être qu'une « peau électromécanique » finira par être développée.

Que peut détecter un robot, et qu'un humain ne peut pas ?

Bien qu'un robot ne puisse pas vous dire si une substance a bon goût ou si une odeur sent mauvais, les étapes impliquées dans l'analyse de la composition chimique peuvent donner beaucoup plus d'informations sur ses propriétés que ne le pourrait un humain. Un robot, équipé d'un capteur de monoxyde de carbone, est en mesure de détecter du monoxyde de carbone qui sinon est incolore, inodore pour l'homme. Un robot est également en mesure de vous dire le niveau de Ph d'une substance pour déterminer si elle est acide ou basique et beaucoup, beaucoup plus. Les humains utilisent une paire d'yeux pour obtenir un très bon sens de la profondeur, mais pour beaucoup, mesurer avec précision une distance n'est pas chose facile. Un être humain peut vous dire que « l'arbre semble se trouver à une distance d'environ 15 mètres », alors qu'un robot, doté des bons capteurs de distance, peut vous dire que « l'arbre se trouve à 13,13 mètres ». De plus, les robots peuvent non seulement capter mais également fournir des valeurs précises concernant divers facteurs environnementaux non ressentis par les humains ou que ceux-ci sont incapables de détecter. Par exemple, un robot peut vous indiquer l'accélération angulaire ou linéaire précise à laquelle il est soumis, tandis que la plupart des humains vous diraient « Je tourne », ou « Je me déplace ». En ce basant sur son expérience, un être humain peut vous dire qu'il pense qu'un objet sera chaud ou froid sans le toucher, tandis qu'une caméra thermique peut fournir une image thermique 2D de ce qui se trouve face à lui. Alors que les humains disposent de cinq sens principaux, les robots peuvent avoir un nombre presque infini de capteurs différents.

De quels capteurs mon robot a-t-il besoin ?

Donc, quels types de capteurs sont disponibles et quels sont ceux dont votre robot à besoin ? Vous devez d'abord vous demander « qu'est-ce que je veux ou ait besoin que le robot mesure ? » puis vous référer à la catégorie appropriée ci-dessous. Il y a de bonnes chances pour que ce que vous avez à l'esprit ne corresponde pas « parfaitement » à l'une de ces catégories, essayez alors de le décomposer en ses éléments de base.

Contact

Commutateur par contact/ bouton poussoir

Les interrupteurs, boutons, et capteurs de contact sont utilisés pour détecter le contact physique entre les objets et ne se limitent pas à des humains appuyant sur des boutons ; les pare-chocs d'un robot peuvent être équipés de boutons poussoirs à impulsion, et de « moustaches » (tout comme un animal) pouvant être utilisées pour détecter de multiples distances.

• Avantages : très faible coût, facile à intégrer, fiable
• Inconvénients : mesure d'une distance unique

Capteur de pression

Contrairement à un bouton poussoir qui n'offre que l'une des deux lectures possibles (MARCHE ou ARRÊT), un capteur de pression produit une donnée en sortie proportionnelle à la force qui est appliquée.

• Avantages : permet de mesurer la quantité de force appliquée
• Inconvénients : peut être imprécis et est plus difficile à utiliser que de simples interrupteurs.

Distance

Télémètres ultrasoniques

Les télémètres ultrasoniques utilisent l'acoustique pour mesurer le temps entre le moment où un signal est envoyé et celui où son écho est reçu en retour. Les télémètres ultrasoniques peuvent mesurer une gamme de distances, mais ils sont utilisés spécifiquement dans l'air et sont affectés par la réflectivité de différents matériaux.

• Avantages : mesures sur moyenne portée (plusieurs mètres).
• Inconvénients : des surfaces et des facteurs environnementaux peuvent affecter les lectures.

Infrarouge

Une lumière infrarouge, qui, comme nous l'avons vu, est utilisée dans la communication, peut également être utilisée pour mesurer une distance. Certains capteurs à infrarouges mesurent une distance spécifique tandis que d'autres offrent une sortie proportionnelle à la distance à un objet.

• Avantages : d'un faible coût, relativement fiable et précis.
• Inconvénients : portée inférieure à un système ultrasonique

Laser

Les lasers sont utilisés quand une grande précision, ou de longues distances (ou les deux) sont nécessaires pour mesurer la distance à un objet. Les télémètres laser à balayage utilisent des faisceaux lasers pour obtenir un balayage en deux dimensions des distances aux objets

• Avantages : très précis, très grandes portée.
• Inconvénients : beaucoup plus coûteux que les capteurs infrarouges ou ultrasoniques classiques.

Encodeurs

Les encodeurs optiques utilisent des paires de mini émetteurs/récepteurs à infrarouges qui envoient des signaux lorsque le faisceau infrarouge est interrompu par un disque rotatif spécialement conçu (monté sur un arbre rotatif). Le nombre de fois où le faisceau est rompu correspond à l'angle totale parcouru par une roue. Connaissant le rayon de la roue, vous pouvez déterminer la distance totale parcourue par cette roue. Deux encodeurs vous donnent une distance relative en deux dimensions.

• Avantages : en supposant qu'il n'y a pas de glissement, le déplacement est absolu. Est souvent installé sur l'arbre arrière d'un moteur
• Inconvénients : une programmation supplémentaire est nécessaire ; des encodeurs optiques plus précis peuvent coûter ~50 $ pièce

Potentiomètre linéaire, bande résistive

Un potentiomètre linéaire est capable de mesurer la position absolue d'un objet. Une bande résistive modifie la résistance en fonction de l'endroit où une force est appliquée.

• Avantages : la position est absolue. Une bande résistive nécessite qu'une pression soit appliquée à une position donnée.
• Inconvénients : la portée est très courte

Capteurs de courbure et d'étirement

Un capteur d'étirement est constitué d'un matériau dont la résistance change en fonction de l'importance avec laquelle elle a été étirée. Un capteur de courbure est habituellement un sandwich de matériaux où la résistance de l'une des couches change selon l'importance avec laquelle elle a été pliée. Ceux-ci peuvent être utilisés pour déterminer un petit angle ou une rotation, par exemple : de combien un doigt a été plié.

• Avantages : utile là où un axe de rotation est interne ou inaccessible
• Inconvénients : pas très précis, et seuls de petits angles peuvent être mesurés

Système de caméra stéréo

Tout comme des yeux humains, deux caméras placées à une certaine distance peuvent fournir des informations de profondeur (vision stéréo). Les robots équipés de caméras peuvent être certains des robots les plus compétents et les plus complexes produits. Une caméra, combinée avec le bon logiciel, peut procurer de la couleur et de la reconnaissance d'objets.

• Avantages : peut fournir des informations de profondeur et une bonne rétroaction concernant l'environnement d'un robot
• Inconvénients : il est complexe de programmer et d'utiliser l'information

Positionnement

Localisation en intérieur (navigation dans une pièce)

Un système de location en intérieur peut utiliser plusieurs balises pour trianguler la position du robot dans une pièce, tandis que les autres utilisent une caméra et des points de repère.

• Avantages : excellent pour un positionnement absolu
• Inconvénients : nécessite une programmation complexe et l'utilisation de marqueurs

GPS

Un GPS utilise les signaux de plusieurs satellites en orbite autour de la planète pour aider à déterminer ses coordonnées géographiques. Les GPS classiques peuvent fournir un positionnement géographique avec une précision jusqu'à 5 m tandis que les systèmes plus avancés, impliquant le traitement des données et la correction d'erreur grâce à l'utilisation d'autres appareils GPS ou IMU, peuvent avoir une précision de quelques cm.

• Avantages : ne nécessite pas de marqueurs ou d'autres références
• Inconvénients : ne peut fonctionner qu'en extérieur.

Rotation

Potentiomètre

Un potentiomètre rotatif est essentiellement un diviseur de tension, et fournit une tension analogique correspondant à l'angle auquel le bouton est tourné.

• Avantages : simple à utiliser, peu coûteux, raisonnablement précis, fournit des lectures absolues.
• Inconvénients : la plupart sont limités à 300 degrés de rotation

Gyroscope

Un gyroscope électronique mesure le taux d'accélération angulaire et fournit un signal correspondant (tension analogique, communication série, I2C, etc.). Intégrer cette valeur deux fois vous donnera un angle.

• Avantages : aucun composant « mécanique » mobile
• Inconvénients : le capteur est toujours soumis à une accélération angulaire alors qu'un microcontrôleur ne peut pas toujours accepter d'entrée en continu, ce qui signifie que les valeurs se perdent, ce qui conduit à une « dérive ».

Encodeurs

Les encodeurs optiques, comme expliqué ci-dessus, utilisent des mini paires d'émetteur/récepteur à infrarouge pour signaler lorsque le faisceau infrarouge est interrompu par un disque rotatif (monté sur un arbre rotatif). Le nombre de fois où le faisceau est rompu correspond à l'angle total parcouru par une roue. Un encodeur mécanique utilise un disque très finement usiné avec suffisamment de trous pour être capable de lire des angles spécifiques. Les encodeurs mécaniques peuvent donc être utilisés à la fois pour une rotation absolue et relative.

• Avantages : précision
• Inconvénients : pour des encodeurs optiques, l'angle est relatif (non absolu) à la position de départ.

Conditions environnementales

Capteur de lumière

Un capteur de lumière peut être utilisé pour mesurer l'intensité d'une source lumineuse, qu'elle soit naturelle ou artificielle. Généralement, sa résistance est proportionnelle à l'intensité lumineuse.

• Avantages : généralement très bon marché et très utile
• Inconvénients : ne peut pas distinguer la source ou le type de lumière.

Capteur sonore

Un capteur sonore est pour l'essentiel un microphone qui renvoie une tension proportionnelle au niveau de bruit ambiant. Des cartes plus complexes peuvent utiliser les données provenant d'un microphone pour de la reconnaissance vocale.

• Avantages : peu coûteux, fiable
• Inconvénients : des informations plus significatives nécessitent une programmation complexe

Capteurs thermiques

Les capteurs thermiques peuvent être utilisés pour mesurer la température d'un composant particulier sur lequel ils se trouvent ou la température ambiante.

• Avantages : ils peuvent être très précis
• Inconvénients : les capteurs les plus complexes et précis peuvent être plus difficiles à utiliser.

Caméra thermique

L'imagerie infrarouge ou thermique vous permet d'obtenir une image thermique 2D complète de tout ce qui est en face de la caméra. De cette façon, il est possible de déterminer la température d'un objet.

• Avantages : différencier des objets de l'arrière-plan, en fonction de leur signature thermique
• Inconvénients : onéreux

Humidité

Les capteurs d'humidité détectent le pourcentage d'eau dans l'air et sont souvent associés à des capteurs de température.

Capteur de pression

Un capteur de pression (qui peut également être un capteur barométrique) peut être utilisé pour mesurer la pression atmosphérique et donner une idée de l'altitude d'un UAV.

Capteurs de gaz

Des capteurs de gaz spécialisés peuvent être utilisés pour détecter la présence et la concentration de divers gaz différents. Cependant, seules des applications robotiques spécialisées ont besoin de capteurs de gaz.

• Avantages : Ce sont les seuls capteurs pouvant être utilisés pour détecter du gaz de manière précise
• Inconvénients : des capteurs bon marché peuvent donner des faux positifs ou des relevés plutôt imprécis et ne devraient donc pas être utilisés pour les applications critiques.

Magnétomètres

Les capteurs magnétiques ou magnétomètres peuvent être utilisés pour détecter des aimants et des champs magnétiques Ce qui est utile pour connaître la position d'aimants.

• Avantages : peut détecter les métaux ferromagnétiques.
• Inconvénients : quelques fois les capteurs peuvent être endommagés par des aimants puissants.

Attitude (roulis, inclinaison et cap)

Boussole

Une boussole numérique est capable d'utiliser le champ magnétique de la terre pour déterminer son orientation par rapport aux pôles magnétiques. Les boussoles à inclinaison compensée tiennent compte du fait que le robot ne peut pas être parfaitement horizontal.

• Avantages : fournit une navigation absolue
• Inconvénients : une plus grande précision augmente le prix

Gyroscope

Les gyroscopes électroniques sont en mesure de fournir l'angle d'inclinaison sur un ou plusieurs axes. Les capteurs d'inclinaison mécaniques déterminent généralement si un robot a été incliné au delà d'une certaine valeur au moyen du mercure contenu dans une capsule de verre ou d'une bille conductrice.

• Avantages : les capteurs électroniques d'inclinaison ont une plus grande précision que les mécaniques
• Inconvénients : ils peuvent être onéreux

Accéléromètres

Les accéléromètres mesurent l'accélération linéaire. Ceci permet de mesurer l'accélération gravitationnelle ou d'autres accélérations auxquelles le robot est soumis. Cela peut être une bonne option pour estimer une distance parcourue si votre robot ne peut pas utiliser l'environnement comme référence. Les accéléromètres peuvent mesurer des accélérations le long d'un, deux ou trois axes. Un accéléromètre à trois axes peut également être utilisé pour mesurer l'orientation

• Avantages : ils ne nécessitent pas de référence externe ou de marqueur pour fonctionner et peuvent fournir une orientation absolue par rapport à la gravité, ou à une orientation relative.
• Inconvénients : ils ne font que s'approcher de la distance parcourue et ne peuvent pas la déterminer avec précision.

Les IMU

Une Unité de mesure inertielle combine un accéléromètre multi-axes à un gyroscope multi-axes et parfois à un magnétomètre multi-axes, afin de mesurer plus précisément l'inclinaison

• Avantages : c'est une façon très fiable de mesurer l'altitude des robots sans utiliser de références externes (outre le champ magnétique de la terre)
• Inconvénients : peut être très coûteux et est complexe à utiliser.

Divers

Capteurs de courant et de tension

Les capteurs de courant et de tension font très exactement ce que leur nom indique : ils mesurent le courant et/ou la tension d'un circuit électrique spécifique. Cela peut être très utile pour évaluer combien de temps votre robot fonctionnera (mesurer la tension de la batterie) ou si vos moteurs travaillent trop dur (mesurer le courant).

• Avantages : ils font exactement ce pour quoi ils sont prévus
• Inconvénients : ils peuvent perturber la tension ou le courant qu'ils mesurent. Parfois, ils nécessitent que le circuit soit mesuré pour être modifié.

Capteurs magnétiques

Les capteurs magnétiques ou magnétomètres détectent des objets magnétiques et peuvent soit exiger d'être au contact de l'objet, soit d'être relativement près d'un objet. De tels capteurs peuvent être utilisés sur une tondeuse à gazon autonome pour détecter le fil intégré dans une pelouse.

• Avantages : généralement peu cher
• Inconvénients : nécessitent généralement d'être relativement proches de l'objet et, malheureusement, ne peuvent ne pas détecter les métaux non-magnétiques.

Vibrations

Les capteurs de vibration détectent la vibration d'un objet en utilisant des technologies pièze-électriques ou autres.

RFID

La Radio-identification utilise des balises RFID actives (alimentées) ou passives (non alimentées) généralement de la taille et de la forme d'une carte de crédit, d'un petit disque plat ou associées à un porte-clé (d'autres formes sont également possibles). Lorsque la balise RFID est à une distance spécifique du lecteur RFID, un signal avec l'ID de la balise est émis.

• Avantages : les balises RFID sont généralement très peu chères et peuvent être identifiées individuellement
• Inconvénients : pas pratiques pour une distance de mesure, uniquement si une balise est à portée.

Exemples pratiques

1.      « Je veux que mon robot suive une personne »

(Plus d'infos sur le robot sont présentées dans la vidéo ...)

Il n'existe pas de « capteur suiveur de personne » (pas encore), c'est pourquoi vous allez devoir vous reporter aux catégories ci-dessus qui peuvent s'appliquer, et à celles qui n'ont pas à être prises en considération.

• Q : Cherchez-vous à détecter, mesurer la distance à (ou un contact avec) un objet ?
  • Immédiatement la réponse doit être oui, et cette première catégorie de capteurs procurera probablement les meilleurs résultats.
• Q : Avez-vous à mesurer une rotation ?
  • Peut-être, mais vous n'avez pas vraiment besoin de savoir si le robot a tourné (c'est un aspect tout à fait différent) ou si l'humain est tourné par rapport au robot.
• Q : Avez-vous à mesurer des conditions environnementales ?
  • Pas vraiment. Vous pouvez envisager de suivre un être humain en fonction de sa signature thermique, mais la différence entre les humains et les animaux (ou même un micro-ondes) serait difficile.
• Q : Cherchez-vous à mesurer une position, une orientation ou un angle ?
  • Le GPS est le premier capteur qui s'impose d'emblée.

Après avoir traversé les principales catégories, nous devrions envisager les capteurs liés à la distance, au contact et à la détection, et prendre en compte le GPS. Voyons de plus près les types de capteurs de ces catégories :

• Contact : pas pertinent puisque le robot suivra l'humain à distance.
• Distance :
  • ultrasonique, infrarouge et laser : mesurer la distance est utile lorsque cela est combiné avec d'autres capteurs.
  • Caméra : cela pourrait être la meilleure option et nous allons l'examiner.
  • Étirement : cela nécessiterait que l'humain soit physiquement connecté au robot, ce qui est quelque chose que nous ne voulons pas.
• Rotation : pas pertinent
• Positionnement :
  • GPS : placer une unité GPS à la fois sur le robot et sur l'humain permettrait au robot de suivre facilement l'humain dans un certain rayon.
• Conditions environnementales : pas pertinent
• Attitude :
  • Accéléromètre : pas très utile, car il ne donne pas au robot une idée de l'endroit où se trouve l'humain.
  • IMU : pas très utile, car il ne donne pas au robot une idée de l'endroit où se trouve l'humain.
• Divers :
  • RFID :  un lecteur RFID peut localiser une balise placée à proximité, et même si une sorte d'option RFID peut être envisagée, il faudrait un peu de recherche.

Par conséquent parmi les options disponibles, les capteurs les plus appropriées pour permettre à un robot de suivre un humain semblent être les capteur de distance à ultrasons ou infrarouge, une caméra et un GPS. Une caméra peut être utilisée pour identifier un motif spécifique placé sur la chemise de l'individu à suivre, tandis que les unités GPS montées sur le robot et l'humain aideront le robot à trouver l'humain s'il ne peut pas être suivi visuellement. Des capteurs de distance permettrait de s'assurer que le robot n'est pas trop proche de l'humain. Par conséquent, lorsqu'on choisit des capteurs pour aider votre robot à suivre un humain, les capteurs mentionnés ci-dessus semblent un bon point de départ.

2.       « Je veux que mon robot reste dans les limites de notre pelouse »

Il n'existe pas de capteur de « l'herbe du voisin » disponible (dont nous soyons informés), vous aurez donc besoin de concevoir une autre solution à base de capteurs.

• Q : Cherchez-vous à détecter, mesurer la distance à (ou un contact avec) un objet ?
  • Oui, nous cherchons à détecter une frontière
• Q : Avez-vous à mesurer une rotation ?
  • Pas vraiment.
• Q : Avez-vous à mesurer des conditions environnementales ?
  • Pas vraiment, mais nous allons garder un esprit ouvert puisque le robot se trouve à l'extérieur.
• Q : Cherchez-vous à mesurer une position, une orientation ou un angle ?
  • Pas vraiment.

Les catégories applicables comprennent donc la mesure de la distance, le ressenti d'un contact, la détection d'un objet, et peut-être les conditions environnementales. Sur la liste des capteurs de ces catégories, nous pouvons voir que ce qui suit peut être utile :

• Contact : détection des collisions afin d'éviter les obstacles.
• Distance :
  • ultrasonique, infrarouge et laser : Cela aiderait le robot à éviter de heurter des objets, et avec plusieurs tournés vers le bas, cela aiderait le robot à éviter de tomber dans des ouvertures telles que des piscines.
• Rotation :
  • encodeurs : encodeurs : cela contribuerait à positionner le robot dans un espace bidimensionnel basé sur une position de départ.
  • Positionnement :
    • GPS : Idéal, le robot pourrait être informé de rester à l'intérieur de certaines coordonnées.
• Conditions environnementales :
  • capteur d'humidité : Ce n'est pas une solution « intuitive » et elle est utilisée de manière créative sur la tondeuse Lawnbott Spyder pour faire une différence entre de l'herbe et des surfaces « non-humides » telles que le béton et la chaussée.
  • capteurs magnétiques : des capteurs magnétiques sont utilisés à l'intérieur et à l'extérieur pour marquer les limites. Le périmètre est signalé par une bande de fil conducteur et le robot est équipé de plusieurs capteurs magnétiques.
• Attitude :
  • IMU : cela peut rendre les données obtenues à partir des encodeurs plus précises, surtout s'il y a des pentes ou des terrains accidentés.
• Divers : pas pertinent

Par conséquent, si vous voulez que votre robot restent dans les limites de votre pelouse, les capteurs mentionnés ci-dessus seraient un très bon départ. Pour de plus amples informations concernant l'apprentissage de la construction d'un robot, veuillez consulter le Centre de formation de RobotShop. Consultez le Forum de la communauté RobotShop pour demander de l'aide dans la construction de robots, présenter vos projets ou simplement discuter avec d'autres collègues roboticiens.