Robots jardiniers

Missions des robots jardiniers

Comment concevoir un robot jardinier capable d’explorer son environnement, d’identifier les emplacements optimaux pour semer des graines et s’occuper des plants ?

On dispose de 3 bases roulantes holonomes sur lesquels on peut monter une batterie de capteur qu'on appellera par la suite robot 1, 2 et 3. Le Le robot 1 sera chargé d'explorer l'environnement, tandis que les robots 2 et 3 agiront sur celui ci, soit en plantant des graines, soit en arrosant les plants. Cette approche permet de séparer les tâches entre les différents robots et donc théoriquement d'améliorer l'efficacité du système. Cette façon de procédé permettrait aussi un déploiement à une plus grande échelle tel que des grandes exploitations.

On peut alors définir un plan d'action des robots jardiniers à travers les actions suivantes :

1. départ de la base du robot 1 ;
2. exploration de l'environnement en évitant les obstacles ;
3. évaluation des paramètres environnementaux : lumière, UV, température, humidité, humidité du sol\ldots
4. si détection de paramètres propices, communication vers les robots 2 et 3 ;
5. cheminement des robots 2 et 3 jusqu'au point de sinistre, à partir des informations fournies par le robot 1 ;
6. action des robots 2 et 3 au point cible : arrosage, forage du sol\ldots

On peut finalement reformuler ces actions sous forme d'un cahier des charges plus concis Robot 1 :

• Explorer un environnement
• Mesurer des paramètres expérimentaux
• Déterminer un environnement propice à l'ensemencement
• Communiquer un chemin

Robot 2 et 3 :

• Suivre un chemin
• Arroser / forer le sol

Les solutions techniques mises en place pour répondre à ces attentes seront détaillées par la suite. Il convient de noter que toutes ces fonctions n'ont cependant pas pu être réalisée.

Décomposition initiale du travail

Pour le début de ce projet, nous avons décidé de décomposer le groupe en plusieurs sous-groupes de travail, chacun constitué d'un chef. Egalement, nous avons décidé d'inclure un chef global de groupe qui permettra de faciliter la communication entre les groupes en gardant un œil sur les différents groupes. Ces groupes sont les suivants :

• Groupe 1: Robot 1 (robot détecteur équipé de plusieurs capteurs permettant de créer une carte à suivre pour les autres robots): 6 étudiants
• Groupe 2: Robot 2 (robot arroseur qui suivra le chemin créé par le robot 1): 3 étudiants
• Groupe 3: Robot 3 (robot planteur qui suivra le chemin créé par le robot 1): 3 étudiants

Cette composition sera très vite amenée à changer, étant donné que les robots 2 et 3 sont très similaires, les étudiants de ces 2 groupes travailleront souvent ensembles.

Algorithmes des robots

Pour déplacer le Robot 1, nous avons retenu le choix de discrétiser l'espace en 10 cm. Chaque mouvement effectué fera donc 10 cm, nous avons des capteurs à ultrasons qui transmettront au robot s'il est capable d'avancer de 10 cm sans rentrer dans un obstacle. Comme le Robot 1 ne tourne pas (il n'y pas vraiment de gauche ou de droite avec les roues holonomes) cela rend la tâche plus facile. Les autres robots auront seulement besoin de reproduire les déplacements du robot 1.

Choix de l'algorithme de déplacement

Nous avons choisi un algorithme simple permettant de parcourir une grande distance et d'éviter la plupart des obstacles.

Etant donné la durée du projet assez courte, faire un algorithme trop complexe aurait été assez contraignant. Le projet consiste à avancer jusqu'au fond du terrain (on considère ici que le terrain est un rectangle). Le robot avance jusqu'à détecter un objet puis on se dirige vers la droite. Ensuite, le robot continue a droite jusqu'à détecter un objet, ce qui nous fera aller vers l'arrière. Le robot roulera vers l'arrière pendant quelques centimètres puis ira à gauche. Lors de la prochaine détection d'un objet, le robot réutilisera la même méthode mais en inversant la droite et la gauche.

Voici un schéma explicatif de l'algorithme utilisé:

chemin normal du robot

chemin du robot avec obstacle détecté

Pour le retour, il faudra, au choix refaire le même chemin en sens inverse (on retiendra chacun des mouvements), ou s'arrêter lorsque la coordonnée y du robot sera assez proche de celle de départ. Ce schéma est assez simpliste, mais présente globalement la façon dont notre algorithme fonctionne. Il est également applicable sur certaines formes plus complexes (voir schéma ci-dessous)
Pour faciliter la compréhension de l'algorithme, voici un schéma explicatif de ce dernier

Pseudo code

Nous avons tout d'abord mis au point une version de base du code de contrôle du robot, il sera vite amené a changer au fur et à mesure

int deplacement ; //1=avant 2=gauche 3= droite 4= arrière
int direction; //2= gauche 3= droite


switch(deplacement)  //suivant le déplacement qu'on a choisi
  case 1:
    moteur_avant();  //on avance le moteur correspondant
    break;
  case2: 
    moteur_gauche();
    break;
  case 3:
    moteur_droite();
    break;
  default :
    moteur_arriere(10); //le robot descend seulement de 10cm (voir les schémas ci-dessus)
    if (direction==2)  //si la direction était gauche alors elle devient droite et inversement
      deplacement=3;
    else 
      deplacement=2;

    break;

Interruptions :

- capteur_av()  // dès que le capteur avant détecte une détection, on veut se déplacer à droite
    
    if (capteur_droite != 1) //s'il n'y a pas d'obstacle à droite
      deplacement=3;         //on se déplace à droite
    else                     //sinon
      fin interruption       // on quitte l'interruption capteur avant pour aller dans l'interruption capteur droite

- capteur_droite() ou capteur_gauche()

    deplacement=4;  // lorsque qu'un mur ou un obstacle est détecté, on veut descendre

-capteur_ar()
   deplacement=1; //dès qu'on arrive en bas du jardin on fait demi-tour

Simulation

La simulation de robot permet de vérifier que le comportement du robot est adéquat avec les fonctionnalités recherchés.

Nous avons essayé de simuler avec le logiciel Webots. Nous avons commencer par modéliser le terrain, c'est à dire un carré d'herbe avec des objets qu'on pourrait trouver dans un jardin. Cependant, nous n'avons pas réussi à trouver un robot avec des roues holonomes ainsi nous n'aurions pas pu effectuer une simulation concrète de notre algorithme. La simulation et la création d'un nouveau robot auraient pris beaucoup de temps par rapport à celui dont on dispose, nous avons choisi de ne pas finir la simulation même si cette dernière aurait été très intéressante pour tester notre algorithme.

Choix des capteurs

Afin de pouvoir mesurer au mieux les caractéristiques du terrain pour déterminer où il devra planter et où il devra arroser, notre robot aura besoin de plusieurs capteurs:

• Un capteur à UV pour la luminosité
• Un capteur d'humidité de l'air
• Un capteur de température
• Un capteur pour mesurer d'humidité du sol
• 4 capteurs de proximité à ultrason pour détecter les obstacles

Nous avons alors décidé d'utiliser les différents capteurs disponibles à Télécom car ils remplissaient les fonctions demandées, nous utiliserons alors:

Capteur UV

Pour capter la luminosité, nous utilisons le capteur d'UV de Grove "Grove UV sensor"

Ce capteur retourne une tension de l'ordre du mV qu'on transformera en indice UV grâce à une fonction qu'on retrouvera dans la Documentation. On utilisera cet indice UV pour détecter si la zone est bien éclairée, donc s'il faut planter au point ou les mesures sont prises

Capteur humidité et température

Pour détecter les conditions idéales de plantation et d'arrosage des plantes, nous avons utilisé un capteur combinant la détection de température et d'humidité de l'air, il s'agit du "Grove humidity and temperature sensor"

Ce capteur nous retournera un signal en mV qui nous permettra via un rapide programme présent dans la Documentation de récupérer le taux d'humidité de l'air et la température en degrés

Capteur humidité du sol

Après étude, nous avons choisi d'utiliser le capteur "Grove moisture sensor". Documentation Sa forme de fourche lui permet de se planter dans le sol plus facilement. Son fonctionnement est simple, plus le sol est humide, plus le courant pourra passer entre les 2 dents de la fourche

Prise du capteur d'humidité du sol dans un sol sec

Tableau récapitulatif des mesures du sol (prises à Télécom un lendemain de jour de pluie et un jour sec)

Etat du sol	Valeur mesurée par le capteur
Terre sèche	300
Terre sèche avec herbe	350
Terre avec herbe (pluie la veille)	600
Terre sèche après avoir été humidifiée	650
Terre trempée	720

Ces mesures nous permettent alors de déterminer les valeurs pour lesquelles le sol a besoin d'être arrosé ou non. On détermine alors que lorsque le sol a besoin d'être arrosées, nos valeurs de retour seront inférieures à 400, et lorsque le seuil a été arrosé récemment, nos valeurs seront supérieures à 400.
On décide alors de fixer le seuil du capteur à 400 .

Capteur de gouttes de pluie

Documentation Un capteur de gouttes de pluie, ou capteur de détection de gouttes de pluie, est utilisé pour détecter s'il pleut ou non, ainsi que les précipitations. Il est largement utilisé dans des systèmes d'essuie-glace automatique, des systèmes d'éclairages intelligents et de toits ouvrants d'automobiles.
Ce capteur est également doté d'un module additionnel d'analyse permettant de recevoir en entrée de la carte une information simple: la présence de gouttes de pluies, on recevra alors un signal booléen permettant de savoir si il pleut. Si tel est le cas, on ordonnera au robot 1 de rentrer à la base.

Choix des cartes

Robot 1

Ce robot utilise les cartes de développement suivantes : Arduino Due et Teensy.

Arduino Due :
Nous avons choisi une carte Arduino car nous trouvons que la programmation est plus facile. Nous avons pris le modèle Due car la Arduino Uno ne possédait pas assez de ports d'interruptions (seulement 2). L'inconvénient est que la carte est grande par rapport à notre robot.

Teensy :

Tout d'abbord, nous avons choisi la Teensy car c'est la carte utilisée par les années précédentes. Ainsi, nous disposons de tous les codes pour faire tourner les moteurs. Elles possède aussi des avantages comme sa polyvalence et sa petite taille.

Robot 2

Ce robot utilise les cartes de développement suivantes : Esp32 Thing et Teensy.

- Esp32 Thing :
Nous avons choisi cette carte car elle est dotée d'une communication BLE et une faible consommation.

- Teensy :

Nous avons choisi la Teensy pour les mêmes raisons que précédemment.

Robot 3

Ce robot utilise les cartes de développement Esp32 Thing et Teensy pour les mêmes raisons que précédemment.

Prise en main des plateformes

Alimentation

• Le robot maître :

1. Il possède un convertisseur de tension 9-18 à 5VDC. Il s'alimente à l'aide d'une batterie de 9.6V composée de 8 cellules Ni-Mh, la tension maximale est d'environ 10.7V.
2. Les moteurs fonctionnent jusqu'à un maximum de 7.2V, ils consomment chacun à 0.5A en fonctionnement à vide et jusqu'à 1.3A en fonctionnement nominal (à un couple de 2 kgf-cm) : Documentation du moteur
3. Les cartes sont alimentées par des batteries externes de 5V

• Les robots esclaves ont deux sources d'alimentation :

1. La partie logique est alimentée par une pile 9V au travers d'une carte TRACO POWER (4.5-9V -> 3.3V). Celle-ci alimente la carte Teensy et la carte Sparkfun ESP32 Thing.
2. La partie puissance est alimentée par un ensemble de 8 piles Ni-Mh, qui délivre 9.6V. Elles sont connectées au port Pvex1 (et à la masse juste en dessous) d'après cette représentation du PCB.

Les deux parties sont séparées sur le PCB à l'aide du cavalier placé du côté du connecteur d'alimentation.

Robot 1

Ce robot utilise les cartes de développement suivantes : Arduino Due et Teensy.

Arduino Due :
Nous avons choisi une carte Arduino car nous trouvons que la programmation est plus facile. Nous avons pris le modèle Due car la Arduino Uno ne possédait pas assez de ports d'interruptions (seulement 2). L'inconvénient est que la carte est grande par rapport à notre robot.

Teensy :

Nous avons choisi la Teensy comme carte motrice car c'est la carte utilisée par les années précédentes. Ainsi, nous disposons de tous les codes pour faire tourner les moteurs. Ses avantages sont sa polyvalence et sa petite taille.

Les deux cartes sont connectées par une liaison série pour communiquer.

Déplacement des robots

Robot 1

Afin de Controller les déplacements du robot, on va utiliser le code pour une plateforme holonome moteurs. La procédure à suivre afin de vérifier et tester le fonctionnement des moteurs et de l'asservissement:

1. Téléverser ce code dans la carte Teensy. La vitesse maximale est définie par le paramètre paramVitesse dans le début du code.
2. Téléverser
4. Tester les moteurs en envoyer les commandes suivantes:

   -av1 pour démarrer le moteur 1 à pleine vitesse

   -am1 pour démarrer le moteur 1 à demi vitesse

   -st pour stopper tous les moteurs

5. Tester les déplacements en entiers

   -avd pour que le robot avance : on active simultanément les moteurs 1 et 3.

   -avg pour que le robot se déplace à gauche : on active simultanément les moteurs 2 et 4.

   -rg pour que le robot fasse une rotation dans le sens trigonométrique : on active simultanément les moteurs 1,2,3 et 4.

On peut tester le code grâce à une console série avec une vitesse de 115200. On utilise alors le port série par défaut de la carte, il faut donc penser à l'ouvrir (Serial.begin(115200);).

Lors des premiers essais de déplacement, nous avons eu quelques problèmes concernant l'asservissement. En effet, on a remarqué au début du projet que la roue 1 avait une vitesse de rotation très importante comparée aux autres et que le moteur 2 ne tournait que dans un sens. Ces difficultés posaient problème pour le déplacement du robot. On a donc test toute la chaine en partant de la Teensy jusqu'aux moteurs :

Premièrement, concernant le moteur qui ne tourne que dans un sens, le problème vient du pont en H qui ne fait pas circuler le courant dans un sens. Ce pont est à changer l'année prochaine.

Deuxièmement, en étudiant le moteur 1, nous avons remarqué qu'il ne répondait pas aux consignes demandés et en particulier l'asservissement. Il semblerait effectivement que les branchements de l'asservissement sur la Teensy sur le schéma électrique fourni ne sont plus d'actualités. Les ports de la Teensy n'étaient donc pas les bons ports dans le code de l'Arduino. Après vérification, voici les bons ports :

M1Out1 = 16;

M1Out0 = 17;

M2Out1 = 14;

M2Out0 = 15;

M3Out1 = 11;

M3Out0 = 12;

M4Out1 = 9;

M4Out0 = 10;

Une fois les ports correctement associés, l'asservissement de la roue 1 fonctionne correctement et les roues tournent toutes à la même vitesse.

Pour effectuer les opérations de déplacement à l'aide de l'Arduino Due, il faut connecter les deux cartes à l'aide des ports séries en croisant le Tx et le Rx. Il faut également ouvrir le port série de la due utilisé (SerialX.begin(115200);) pour le port série X. Finalement, ne pas oublier de relier les masses de la Teensy et de la Due ensemble.

Robot 2 et 3

Ces robots utilisent les cartes de développement suivantes : Esp32 Thing et Teensy.

Esp32 Thing :
Nous avons choisi cette carte, car elle possède une communication BLE et un module WiFi.

Teensy :

Nous avons choisi la Teensy pour les mêmes raisons que précedemment.

La première étape est de contrôler les moteurs avec la teensy, pour cela il faut utiliser le code suivant: Les déplacements des robots 2 et 3 sont gérés avec les commandes suivantes:

1. La commande avXXX permet d'indiquer la direction, sous forme d'angle en degrés (ex XXX = 120), dans laquelle le robot va se déplacer (cette commande ne fait pas bouger le robot).
2. La commande ho3 entraîne le déplacement du robot dans la direction indiquée avec la commande avXXX.
3. Vous pouvez aussi tester les commandes at et et permettant respectivement d'allumer et d'éteindre la led de la Teensy.

Ensuite, il faut établir une liaison série entre l'ESP32 et la Teensy, l'objectif est de contrôler le robot depuis l'ESP32 car c'est cette carte qui recevra les informations du robot 1, pour cela vous pouvez commencer par utiliser ce code simple permettant de faire clignoter la LED de la Teensy. Dans notre cas nous avons utilisé les ports 16 et 17 de l'ESP32 qui correspondent à UART2, pour envoyer les commandes nous avons donc utiliser Serial2.

void setup() {

  Serial2.begin(115200); // Initialize serial communication at 115200 baud

}

 

void loop() {

  

    Serial2.print("al"); // Send "Blink" command to Teensy

    delay(1000); // Wait for 1 second   

    Serial2.print("et"); // Send "Blink" command to Teensy

    delay(1000); // Wait for 1 second   

  
}

Il faut ensuite modifier le code pour envoyer les commandes permettant au robot de se déplacer.

Communication entre les robots

Pour communiquer entre les robots, nous avons choisi le protocole suivant : Le robot se déplace et prend plusieurs mesures, il les enregistre et au choisi le meilleur point pour planter des choux. Le chemin qu'il a parcouru est stocké en mémoire, il envoie donc les instructions de se déplacer jusqu'à ce point au robot 2 puis au 3. Les robots 2 et 3 reproduisent le même parcours que le robot 1, certes ce n'est pas le chemin le plus court, mais c'est la solution la plus facile.

La suite d'instruction permettant de guider les robots jusqu'au point d'intérêt est envoyée dans une seule chaîne de caractère, les ESP des robots 2 et 3 auront ensuite pour rôle de lire cette chaine par couple de caractère, chacun indiquant une instruction, celle ci est ensuite traduite en une commande que la teensy pourra comprendre. Les instructions envoyés par le robot 1 via la chaîne de caractère seront les suivantes :

• av : Avance tout droit de 10 cm
• dr : Tourne à droite et avance de 10 cm
• ga : Tourne à gauche et avance de 10 cm
• ar : Recule de 10 cm.
• ac : Action: Planter/Arroser (selon le robot)

1ère tentative : Bluetooth (ECHEC)

Pour utiliser le protocole Bluetooth, on utilise le module série Bluetooth v3.01.

Pour utiliser le protocole Bluetooth, on utilise des commandes AT pour initialiser la communication entre le maitre (Robot 1) et l'esclave (Robot 2 et 3). Pour plus d'information sur les commandes AT, voici le site officiel de Seedstudio : [1]. Si le module est connecté, la petite LED verte de celui-ci s'arrête de clignoter. Pour voir un exemple d'utilisation dont nous sommes fortement inspirés, consulter le site suivant :[2]

Voici le code utiliser pour le bluetooth : [Cliquer ici pour télécharger le fichier ] Fichier:Bluetooth.zip

Mode de communication retenu : WiFi

Nous nous aidons de la bibliothèque ESP-NOW. Pour avoir toutes les méthodes et fonction de la bibliothèque : https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/esp32/api-reference/network/esp_now.html#_CPPv416esp_now_add_peerPK19esp_now_peer_info_t. Pour avoir un exemple dont nous sommes inspirés : https://dronebotworkshop.com/esp-now/.

On souhaite établir une communication entre les robots, via ESP32. On utilise alors ESP-NOW. Il s'agit d'un protocole de communication unique aux ESP32. Le protocole utilise la bande de fréquence 2.4 GHz. Dans le cadre de ce projet, le mode opératoire est appelé broadcast, c'est-à-dire que toutes les cartes ESP32 recevront le message envoyé. Le ESP32 du robot 1 joue le rôle d'initiateur (initiator) et les ESP32 des robots 2 et 3 jouent le rôle de récepteur (responder).

Il existe deux méthodes de communication avec la bibliothèque ESP NOW:

1. La première est qu'une première carte (initiator) envoie des données à une autre carte (responder) précise via son adresse MAC.
2. Le broadcast, cette méthode permet à l'initiator de communiquer avec tous es responder à portée, cela ne nécessite pas de connaître les adresses MAC des ESP32 qui auront le rôle de responder.

Dans notre cas, nous avons d'abord essayé de communiquer en point à point avec les adresses MAC. Celle-ci peuvent être obtenue facilement avec ce code :

Il faut bien noter les adresses obtenues pour éviter de le refaire plusieurs fois.

 
// Include WiFi Library
#include "WiFi.h"
 
void setup() {
 
  // Setup Serial Monitor
  Serial.begin(115200);
 
  // Put ESP32 into Station mode
  WiFi.mode(WIFI_MODE_STA);
 
  // Print MAC Address to Serial monitor
  Serial.print("MAC Address: ");
  Serial.println(WiFi.macAddress());
}
 
void loop() {
 
}

Comme notre carte principale est la Arduino Due , on connecte sur les ports serial 3 deux fils vers serial 2 (en inverser) de la ESP32. C'est la Due qui enverra les messages à envoyer.

Voici le code utilisé pour envoyer les données en mode broadcast :

Pour la Due :

String mvt="avavavdrdrgaalalav";
void setup() {
  
  Serial.begin(115200);
  Serial3.begin(115200);
  
}

void loop() {
 Serial3.print(mvt);
 delay(1000);
}

Pour la ESP32 en mode Broadcast : [Cliquer ici pour télécharger le fichier]

POur la ESP32 qui reçoit le message : [Cliquer ici pour télécharger le fichier]

A noté que ici, on découpe le message reçu en chaines de caractères de longueur 2 qui correspondent directement aux ordres à donner au robot pour qu'il avance/recule/tourne.