Un projet pluridisciplinaire : LE CHARIOT FILOGUIDE

But :

Regrouper au sein d’un seul et même projet, des disciplines aussi diverses que l’électronique analogique,
l’informatique industrielle ou l’électronique de puissance.

Mots clés : Filtrage Analogique - Modulation en Largeur d’Impulsions (MLI) - Multiplexage

1) Principe de guidage du chariot filoguidé:

Ce type de chariot offre la possibilité de créer des circuits à plusieurs boucles de courant. 
Chaque boucle mitoyenne est parcourue par un courant à une fréquence différente de ses voisines (Fig.3 ) .
Le choix de la fréquence de chaque boucle est fait de telle sorte que les harmoniques d’un signal d’une des boucles,
ne perturbent pas le signal issu d’une autre boucle.
Notre projet comporte quatre boucles de courant. Le choix de la boucle à suivre peut être fait par le superviseur,
en sélectionnant la fréquence centrale Fo du filtre passe-bande. 
Un dialogue est donc indispensable entre chariot et superviseur à chaque tronçon commun.

2) La mécanique :

Comme toujours dans ce type de projet, on s’aperçoit vite que le ² bricolage² reste la solution la moins onéreuse et la plus adaptée (Fig.7).
Un châssis rudimentaire, deux moteurs d’essuie-glace ( récupérés à la casse ), des pignons et des chaînes plastiques ( pour minimiser le poids ),
deux roues tractrices et directrices et une roulette avant libre vont constituer notre tricycle.

3) Les moteurs :

Les moteurs d’éssuie-glace s’avèrent tout à fait adaptés à ce type d’utilisation. 
Le couple en sortie de réducteur est important, ils sont silencieux et la plupart d’entre eux possèdent deux vitesses de fonctionnement .
Cette dernière particularité permet le ralentissement du chariot lors de virages serrés ou l’approche en douceur de points particuliers du site. 
Ils présentent néanmoins deux inconvénients :

- le premier est électrique : un des pôles d’alimentation de ces moteurs est relié à l’armature.
Comme ceux-ci sont montés tête-bêche et tournent donc dans le sens contraire l’un de l’autre, il est nécessaire de les isoler électriquement du châssis du chariot
sous peine de court-circuit.

Chaque boucle de fréquence F_i ( Fig.3) est parcourue par un courant sinusoïdal généré par un oscillateur réalisé à l’aide d’un circuit spécialisé XR2206.
L’ajustable PF permet de régler la fréquence de l’oscillateur et PA l’amplitude de la sinusoïde de sortie.
La puissance est fournie par deux transistors complémentaires montés en ² PUSH-PULL² sur un dissipateur thermique.
Les fréquences sont choisies de telle manière que les harmoniques de l’une ne viennent pas perturber les fondamentales des autres.
Il y a autant de générateurs que de boucles sur le site.

5) L’asservissement de position :

5-a) Les capteurs :

Les capteurs de position sont des solénoïdes constitués d’un barreau de ferrite de 5cm de longueur
et de 5mm de diamètre, sur lequel sont bobinées, sur deux couches, 100 à 150 spires de fil de cuivre émaillé de diamètre 0.35mm.
( Le nombre de spires n’est pas critique ).
Le tout est entouré de gaine thermo-rétractable.Ces capteurs sont fixés à l’avant du chariot, espacés de 3 à 4 cm .
L’espacement et la hauteur par rapport au sol doivent être réglables mécaniquement de façon à assurer le meilleur déplacement possible du chariot.

Soit L l’inductance d’un capteur et
I = A.sin(w_it) le courant circulant dans la boucle de fréquence F_i.
La tension issue de ce capteur est égale à : E =a . L.dI/dt soit :
E = a . L.A.w_i.cos(w_it)
a est un coéficient fonction du couplage entre la boucle est le capteur
et donc

E_max = K.w_i

Le schéma fonctionnel de l’asservissement de position est représenté Fig.6.
Il diffère légèrement du schéma originel (Fig.2).
Plutôt que de déplacer la fréquence centrale d’un filtre passe-bande, nous avons utilisé quatre filtres de fréquence centrale fixe.
Le gain de chaque filtre passe-bande est réglé de manière à obtenir en sortie de filtre une tension identique,
quelle que soit la fréquence de la boucle suivie, lorsque le chariot est centré sur le fil.
Cette solution, plus lourde en composants, s’avère beaucoup plus aisée à régler.

5-c) Schéma électronique : Filtrage et sélection de boucle

Le filtre passe-bande utilisé est basé sur une structure à variable d’état à deux AOP*.
La fréquence centrale est réglée par l’ajustable PR₁ et le niveau de sortie par PG₁.
Fréquence centrale et largeur de bande sont indépendantes l’une de l’autre, c’est la raison du choix de cette structure.
La sélection de la boucle à suivre se fait par deux entrées binaires du multiplexeur. 

5-d) Redressement et soustraction 

Les AOP A₁ et A₂ assurent la fonction de redressement sans seuil, indispensable si l’on veut un suivi correct de la boucle lorsque le chariot est centré.
Le soustracteur est réalisé à l’aide de A₃.
Le niveau du signal est adapté à l’aide du dernier étage A₄.
Le signal ² Ecart² obtenu est représentatif de la position du chariot par rapport au fil, quelque soit la boucle choisie.

6) La commande des moteurs :

Le principe de guidage de ce chariot est assimilable à celui des véhicules chenillés.
La rotation du chariot est obtenue en diminuant la vitesse d’un moteur par rapport à l’autre( Fig.4).
Un meilleur asservissement est obtenu en faisant tourner les deux moteurs à 90% de leur vitesse max. en ligne droite,
ce qui permet d’augmenter la vitesse de rotation d’un moteur à 100% tout en diminuant la vitesse de l’autre.
Cela a pour effet de minimiser l’effet de ² pompage² du chariot en ligne droite.

6-a) La conversion Ecart / MLI :

Le signal ² Ecart² est réglé de telle sorte qu’il soit compris entre +1V et -1V lorsque le chariot est excentré de 10cm par rapport au fil (-1V à droite +1V à gauche ).
Ce signal est nul lorsque le chariot est correctement centré ( Fig.4)
Il faut maintenant convertir ce signal ² Ecart² en deux signaux ² MLId² et ² MLIg² qui seront appliqués aux deux moteurs.
( MLI : Modulation en Largeur d’Impulsion)
Un étage de puissance muni d’une limitation en courant est indispensable pour éviter la destruction des transistors lors du démarrage du chariot,
ou si l’un des deux moteurs venait à se bloquer.

6-b) Schéma électronique  Ecart / MLI :

La fréquence de cet oscillateur est fonction du type de moteur utilisé, ici 1kHz. L’ajustable Poff permet de régler l’offset de ce signal triangulaire.

6-d) Commande des moteurs et sécurité :

L’étage de puissance de la commande des moteurs est assuré par deux paires de transistors T₁, T₂ et T₃, T₄ montés en Darlington.
T₂ et T₄ doivent être correctement refroidis. D₁ et D₃ sont des diodes de roue libre et D₂ et D₄ sont destinées à améliorer la commutation de T₂ et T₄.

L’énergie électrique du chariot est fournie par une batterie de voiture de 12V/35Ah.
Le montage ci-dessous permet de réaliser, à partir de cette batterie, une double alimentation symétrique +/-6V non stabilisée,
pour toute la partie analogique de l’électronique du chariot, ainsi qu’une alimentation stabilisée 5V pour la partie numérique.
Il ne faut pas confondre la masse du chariot qui correspond au potentiel -6V et le 0V qui lui est flottant .
Les transistors de puissance ainsi que le régulateur doivent être correctement refroidis.

Exemple de réalisation de la carte Alimentation

8) L’environnement:

Indépendamment des bobines de position, le chariot est hérissé de capteurs ( Fig.7) :
- une couronne solidaire d’une des deux roues arrières est percée de 40 trous.
Cette couronne permet, grâce à une fourche opto-électronique, d’avoir une information sur la vitesse du chariot et donc sur sa position ( 40 impulsions = 51 cm )
- un capteur infra-rouge à réflexion permet une remise à zéro de la position du chariot sur le site
- un radar à ultrasons, monté sur l’axe d’un moteur pas à pas, détecte d’éventuels obstacles dans un angle de 90° à l’avant du chariot.
Un contrôle de l’état de charge de la batterie, permet au chariot de se déplacer automatiquement sur une boucle de maintenance, où il trouvera lui-même son chargeur.
Une commande manuelle, simulant le signal ² Ecart² , permet de déplacer le chariot lorsque celui-ci ne se trouve pas sur une boucle de courant.
On peut également envisager un lecteur de codes à barres permettant des prises de décisions sur les différents aiguillages du site.
Toutes les cartes électroniques sont réalisées au format simple Europe et sont installées dans un rack prévu à cet effet.

9) Le dialogue PC/Chariot :

L’ intelligence de ce chariot filoguidé est confiée à une carte microcontrôleur 8031 .
Celle-ci gére toutes les entrées/sorties capteurs ainsi que la transmission de données avec un PC.
Deux modules HF se chargent de cette transmission RS232. Elle s’effectue sous forme de trames, sous protocole RTS/CTS à 1200 bits/s en Half Duplex.
Ces modules HF peuvent être développés, mais il existe sur le marché des produits efficaces, bon marché, homologués PTT et d’une portée tout à fait suffisante.
Le logiciel implanté sur cette carte microcontrôleur, transmet une information à chaque mètre parcouru vers un ordinateur disposant d’un module HF récepteur. L’opérateur peut intervenir sur le déplacement du chariot grâce à système de supervision.
Le recalage précis du chariot sur le site se fait à l’aide d’un module émetteur/récepteur infrarouge, qui envoie un top de synchronisation
lorsque le chariot passe devant un catadioptre fixé à un point particulier du site.

Conclusion :

Ce projet est relativement important et il n’est pas raisonnable de penser qu’il puisse être achevé en une année,
compte tenu du volume horaire imparti aux projets en deuxième année d’IUT.
Mais ceci n’est pas un frein à la motivation des élèves qui finissent par considérer le chariot filoguidé comme la mascotte du département.
Avec un minimum de débrouillardise le coût en matière d’œuvre de ce projet reste très faible surtout si on le compare à sa richesse sur le plan pédagogique.

Bibliographie :