Prototype d’un robot DiWheel

Robot DiWheel 2021

Étudiant à Polytech Angers nous avons eu, Adrien Soubrane et Corentin Amoruso, la chance de travailler sur l’un des projets proposés au cours de notre dernier semestre. Notre choix s’est porté sur l’étude du robot DiWheel !

Un DiWheel est un véhicule avec deux grandes roues latérales. Il a été inventé en 1880 mais n’a pas conquis le grand public, ce qui l’a fait disparaitre.
En effet, les balancements sont le principal défaut de ce moyen de transport.

L’objectif a été de concevoir un prototype de A à Z à l’aide du kit LEGO Mindstorm EV3 mais aussi d’étudier la stabilité de ce dernier.
Ce travail est une partie très importante car il permet de modéliser le robot, à la manière d’une maquette, avant de pouvoir le répliquer à échelle humaine.
C’est donc un projet sur la durée, et nous espérons sincèrement qu’un grand modèle verra le jour à Polytech Agers, grâce (en partie) à nos travaux.
Le contrôle du robot doit se faire en Bluetooth, dans notre cas avec une application smartphone.

Ce projet est très complet : nous avons dû, d’ans l’ordre, concevoir le robot, le contrôler, illustrer son comportement via des capteurs, modéliser mathématiquement le système, et mettre en place une loi de commande, pour réguler les oscillations.

1. Pour commencer, la conception :
   La première phase du travail, probablement la plus créative, est celle de la construction du robot ! Nous utilisons Studio 2.0 pour visualiser notre système.
   Avant toute chose, nous avons cherché un logiciel nous permettant de modéliser les pièces LEGO. Après quelques recherches, nous nous sommes tournés vers Studio 2.0.


Exemple de modélisation sous Studio 2.0

Nous devons réduire au maximum les oscillations, et nous devons y penser dès la création de la structure.
Nous avons donc choisi de placer la brique EV3 non pas au niveau de l’axe des roues mais en dessous. Cela permet d’abaisser le centre de gravité, en le plaçant sous l’axe des roues.

Pour la conception des roues, le choix de l’imprimante 3D était intéressant, mais trop contraignant, surtout avec le confinement. Nous avons donc décidé d’utiliser des quarts de roues LEGO. Nous n’avions plus qu’à trouver un moyen de les fixer à l’EV3.



Arc de roue dentée





Roue du robot


 
Pour que le Diwheel avance sans soucis, il fallait trouver la meilleure configuration possible avec les différents engrenages et pièces LEGO à notre disposition. L’important était avant tout de réussir à transmettre le plus d’énergie possible des moteurs vers les roues. Pour cela, nous devions réfléchir à comment réduire au maximum les frottements pour permettre aux roues et aux engrenages de tourner le plus librement possible. Moins les frottements sont importants, meilleur sera le rendement.


Mécanisme côté gauche

2. Après, le contrôle du robot :

   L’étape suivante du projet a été de trouver une nouvelle manière de contrôler le DiWheel. En effet, ce dernier ne dispose que d’un seul moyen pour cela : appuyer directement sur les boutons de la brique EV3. C’est pourquoi nous voulions trouver un moyen plus amusant et pratique pour faire avancer notre robot. C’est de cette réflexion qu’ont découlées les idées de contrôler le DiWheel à l’aide d’une manette et d’une application.

A la manière d’un Mario Kart, nous voulions pouvoir maîtriser notre robot à l’aide d’une Wiimote et du gyroscope intégré.
Pour cela, nous voulions nous servir de la communication Bluetooth commune à l’EV3 et à la manette. Il fallait donc trouver un moyen de programmer la Wiimote afin de communiquer avec la brique EV3. La solution la plus simple est d’utiliser GlovePIE. C’est un logiciel dédié pour la Wiimote permettant de l’utiliser avec n’importe quel périphérique.
Malheureusement, compte tenu des conditions de travail (confinement, matériel, problème de Bluetooth…) nous n’avons pas pu connecter les deux périphériques ensembles. Néanmoins la solution reste viable si BlueSoleil ou un autre pilote fonctionne sur l’ordinateur utilisé pour la manipulation.
Une autre solution existe : modifier le système d’exploitation de la brique pour utiliser un programme disponible sur internet. Mais cette dernière nous semblait trop risquée, nous ne voulions pas endommager l’EV3.



Manette WiiMote
Source: https://nintendo-museum.fr/wii-wheel/

Cependant, grâce à RemotEV3, une application android, nous pouvons commander le robot via bluetooth.
Le robot peut ainsi être dirigé dans toutes les directions et tous les sens.
La connexion étant plus simple avec un smartphone, nous n’avons eu aucun souci de fonctionnement.

Voici quelques démonstrations en vidéo :

• Robot instable (en ligne droite)
• Robot instable (rotations)
• Robot instable (perte de contrôle)
• Robot stable (ligne droite + demi tour)
3. Ensuite, la modélisation du système :

   Elle se déroule en trois parties : l’étude du système, la représentation d’état et l’expérimentation.

   L’étude du système consiste à déterminer l’ensemble des constantes, des forces et des vitesses appliquées au robot afin de déterminer un modèle théorique. Il servira pour déterminer une représentation d’état contenant les variables que nous voulons changer. C’est pourquoi il ne faut pas perdre de vue notre but : réduire les balancements.
   Notre choix s’est donc porté sur le modèle Lagrangien nous permettant d’obtenir les formules de l’accélération angulaire des roues et du corps. En effet, en atténuant les variations d’accélération, le robot deviendra plus stable.
   Après simplification nous avons obtenus les formules respectives de l’accélération du corps et celle des roues :



Équations de Lagrange

Une fois que nous avons obtenu nos formules, on s’est intéressé à la représentation d’état. Grâce à cette loi de commande on peut comprendre de manière théorique comment évoluent nos variables.
Une représentation d’état est composée d’une entrée X, d’une sortie Y et de différentes matrices (A, B, C et D) montrant l’évolution du système.
A l’aide de Scilab, nous avons confirmé théoriquement l’instabilité du système. En effet, après avoir reproduit virtuellement le système à l’aide de la représentation d’état, nous avons simulé et obtenu la courbe correspondant à l’angle du corps par rapport à l’axe y. Cette dernière forme une sinusoïde caractéristique d’une instabilité (ici des balancements). Certes les valeurs et le comportement obtenu sont cohérents, néanmoins pour pouvoir les utiliser il faut vérifier expérimentalement si cela concorde avec la réalité.



courbe modélisation (sinusoïdale)

Avec le logiciel (Windows) LEGO Mindstorm EV3 et grâce aux capteurs gyroscopiques et l’accéléromètre fournis dans le kit, nous avons pu prendre quelques mesures. En comparant les valeurs obtenues avec les capteurs et celles de la simulation, nous avons pu confirmer que notre modèle est utilisable pour la commande du système.



Courbe gyroscope (robot instable)





positionnement des capteurs

Enfin, commander le système :

4. Une fois la commandabilité du système étant assurée par le critère de Kalman, il ne suffisait plus qu’à trouver comment influencer le système.
   Nous avons donc décidé d’utiliser une commande par retour d’état pour asservir le système. Cette méthode se base sur l’utilisation d’un gain correcteur afin de modifier en temps réel la sortie.
   Le but est ainsi d’obtenir, par le capteur gyroscopique, non plus une courbe sinusoïdale mais une courbe de système de premier ordre. Elle est reconnaissable via deux phases : une transition (la valeur de la sortie varie) et une stabilisation (la sortie atteint une valeur limite).
   Après simulation sur Scilab ou Matlab et si les résultats sont concluants, on peut implémenter cette loi de commande sur l’EV3. Certes le robot ira moins vite, mais il est devenu beaucoup plus stable.


Exemple de simulation sous Scilab

Bilan :

Ce projet a été pour nous une occasion de nous amuser et de travailler plus en profondeur sur des notions complexes. Il nous a permis de développer nos compétences dans différents domaines (Physique, mathématique, automatisme, conception…).
Nous avons aussi appris à travailler en équipe, en autonomie et à surmonter les difficultés à l’aide de nos connaissances, et grâce à nos recherches.
Même si le projet n’a pas abouti au niveau de la commande par retour d’état, nous sommes fiers d’avoir obtenu un DiWheel fonctionnel et commandable via smartphone.

Ressources :

Le projet touchant à sa fin, il nous tenait à cœur de pouvoir vous donner la possibilité de continuer ce dernier. En effet, si vous disposez vous aussi du kit LEGO Mindstorm EV3 et que vous souhaitez reproduire et améliorer notre robot, nous mettons à votre disposition l’ensemble des étapes de construction :
Compte rendu et instructions de montage

Ce drive contient également notre compte rendu de projet, que nous vous incitons vivement à consulter si vous souhaitez reproduire un robot du même style.

Pour plus de question, n’hésitez pas à nous contacter via nos adresses mail respectives :

• corentin.amoruso@gmail.com
• adsoub@gmail.com

Merci pour votre lecture ! A très vite !
Corentin & Adrien