{"id":1100,"date":"2024-08-23T11:10:07","date_gmt":"2024-08-23T15:10:07","guid":{"rendered":"https:\/\/tgemaisonneuve.com\/?p=1100"},"modified":"2024-08-23T11:19:16","modified_gmt":"2024-08-23T15:19:16","slug":"vehicule-teleguide-avec-camera-integree","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/tgemaisonneuve.com\/index.php\/2024\/08\/23\/vehicule-teleguide-avec-camera-integree\/","title":{"rendered":"V\u00e9hicule T\u00e9l\u00e9guid\u00e9 avec Cam\u00e9ra"},"content":{"rendered":"\n
\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Ce projet vise \u00e0 int\u00e9grer un maximum de connaissances apprises dans le programme de Technologie des syst\u00e8mes ordin\u00e9s. Le r\u00e9sultat de ce projet est un v\u00e9hicule pouvant \u00eatre contr\u00f4l\u00e9 dans un milieu int\u00e9rieur. On y retrouve des applications dans la surveillance, l’exploration et le divertissement, offrant une possibilit\u00e9 int\u00e9ressante pour la visualisation \u00e0 distance.<\/p>\n\n\n\n

Contexte et pr\u00e9sentation g\u00e9n\u00e9rale du projet<\/h2>\n\n\n\n

Contexte de la r\u00e9alisation du projet<\/h3>\n\n\n\n

Le projet du v\u00e9hicule t\u00e9l\u00e9guid\u00e9 avec cam\u00e9ra int\u00e9gr\u00e9e est n\u00e9 de la volont\u00e9 de refaire, en une version am\u00e9lior\u00e9e, un projet de la premi\u00e8re ann\u00e9e: celui du robot. Celui-ci est un petit v\u00e9hicule, visuellement peu int\u00e9ressent et manquant de fonctionnalit\u00e9s.<\/p>\n\n\n\n

Dans le but de boucler la boucle et de faire mieux que ce qui a \u00e9t\u00e9 fait par le pass\u00e9, il a \u00e9t\u00e9 d\u00e9cid\u00e9 de faire un v\u00e9hicule t\u00e9l\u00e9guid\u00e9, comme en premi\u00e8re ann\u00e9e de la technique, mais en plus gros, plus abouti et plus impressionnant.<\/p>\n\n\n\n

Pr\u00e9sentation g\u00e9n\u00e9rale du v\u00e9hicule t\u00e9l\u00e9guid\u00e9 avec cam\u00e9ra int\u00e9gr\u00e9e<\/h3>\n\n\n\n

Le v\u00e9hicule t\u00e9l\u00e9guid\u00e9 se pr\u00e9sente en deux parties : la manette servant \u00e0 contr\u00f4ler le v\u00e9hicule et le v\u00e9hicule lui-m\u00eame.<\/p>\n\n\n\n

Manette<\/h4>\n\n\n\n
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La manette sert \u00e0 diriger le v\u00e9hicule. Le lien entre la manette et le v\u00e9hicule est une communication RF. Avec la manette, il est possible de contr\u00f4ler les mouvements du v\u00e9hicule et faire tourner la cam\u00e9ra. La manette affiche, avec son \u00e9cran, diverses informations sur le syst\u00e8me lors de son fonctionnement.<\/p>\n\n\n\n

V\u00e9hicule<\/h4>\n\n\n
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Le v\u00e9hicule est la partie centrale du projet. Sous sa carrosserie \u00e0 l’allure militaire, il y a le cerveau du v\u00e9hicule qui est un Raspberry Pi, une cam\u00e9ra pour filmer en continu et 3 servomoteurs pour permettre au v\u00e9hicule de se mouvoir et de faire tourner la cam\u00e9ra.<\/p>\n\n\n\n

Photo des PCB<\/h2>\n\n\n\n

Voici les plaquettes de circuit imprim\u00e9 qui sont dans le projet.<\/p>\n\n\n\n

PCB Manette<\/h3>\n\n\n\n
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PCB V\u00e9hicule<\/h2>\n\n\n\n
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Sch\u00e9ma bloc de la manette et du v\u00e9hicule<\/h2>\n\n\n\n

Sch\u00e9ma bloc Manette<\/h3>\n\n\n\n

Voici le sch\u00e9ma bloc de la manette :<\/p>\n\n\n\n

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Sch\u00e9ma bloc : V\u00e9hicule<\/h3>\n\n\n\n

Voici le sch\u00e9ma bloc du v\u00e9hicule :<\/p>\n\n\n\n

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Description des principes utilis\u00e9s<\/h2>\n\n\n\n

Dans tout projet \u00e9lectronique, des principes technologiques sont utilis\u00e9s. Ces principes servent de fondements pour la conception, la r\u00e9alisation et l’optimisation des syst\u00e8mes \u00e9lectroniques. La compr\u00e9hension et l’application de ces principes sont essentielles pour garantir le bon fonctionnement et l’efficacit\u00e9 des dispositifs. Cette section a pour objectif de d\u00e9crire les principaux concepts et m\u00e9thodes qui sous-tendent le projet.<\/p>\n\n\n\n

Principe #1 : Communication RF<\/h3>\n\n\n
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La communication entre la manette et le v\u00e9hicule, se fait par ondes RF. Une onde RF (Radio Fr\u00e9quence) est une onde \u00e9lectromagn\u00e9tique. Une onde \u00e9lectromagn\u00e9tique est une vibration qui transporte de l’\u00e9nergie \u00e0 travers l’espace et la mati\u00e8re. Elle est compos\u00e9e de champs \u00e9lectriques et magn\u00e9tiques qui oscillent perpendiculairement l’un par rapport \u00e0 l’autre et \u00e0 la direction de propagation de l’onde. Les ondes \u00e9lectromagn\u00e9tiques comprennent un large spectre, allant des ondes radio (comme les ondes RF), aux micro-ondes, \u00e0 la lumi\u00e8re visible, aux rayons X et aux rayons gamma.<\/p>\n\n\n\n

Pour \u00e9tablir une communication RF entre un \u00e9metteur et un r\u00e9cepteur, plusieurs aspects et sp\u00e9cifications des ondes RF et de la paire \u00e9metteur\/r\u00e9cepteur utilis\u00e9e doivent \u00eatre respect\u00e9s. Ces aspects sont, par exemples, la puissance d’\u00e9mission, la fr\u00e9quence de communication, le canal de communication, la d\u00e9tection d’erreurs de communication ou la quantit\u00e9 de donn\u00e9es envoy\u00e9es par seconde.<\/p>\n\n\n\n

Pour l’utilisation de la communication RF dans le cadre du projet du v\u00e9hicule t\u00e9l\u00e9guid\u00e9 avec cam\u00e9ra int\u00e9gr\u00e9e, ce sont les \u00e9metteurs\/r\u00e9cepteurs NRF24L01 qui sont utilis\u00e9s. Pour \u00e9tablir la communication entre les deux appareils, ils sont configur\u00e9s comme suit : fr\u00e9quence de communication \u00e0 2,4Ghz (pour \u00eatre dans la bande ISM (industrie, scientifique et m\u00e9dical) qui peut \u00eatre utilis\u00e9e sans acheter de licence); la puissance d’\u00e9mission est fix\u00e9e \u00e0 0 dBm; le CRC (Contr\u00f4le de redondance cyclique) servant \u00e0 la d\u00e9tection des erreurs de communication a une longueur de 8 bits; les \u00e9metteurs\/r\u00e9cepteurs NRF24L01 poss\u00e8dent 125 canaux de communication et celui qui est utilis\u00e9 est le 10i\u00e8me; finalement, les donn\u00e9es sont transmises \u00e0 une vitesse de 250Kbits par seconde.<\/p>\n\n\n\n

Principe #2 : Signaux PWM<\/h3>\n\n\n
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Un signal PWM, pour impulsion avec modulation, est un signal num\u00e9rique (donc il ne peut avoir comme valeur que 0 ou 1). Le signal PWM a plusieurs caract\u00e9ristiques qui le d\u00e9finissent. Il y a sa fr\u00e9quence, qui fait r\u00e9f\u00e9rence au nombre de cycles complets d’impulsions g\u00e9n\u00e9r\u00e9s par seconde. On ne peut pas choisir n’importe quelle fr\u00e9quence pour un appareil. Lorsqu’un signal PWM est requis pour un appareil, le manufacturier pr\u00e9cisera toujours la fr\u00e9quence du signal PWM dans la documentation technique. Une autre caract\u00e9ristique du signal PWM est son rapport cyclique (duty cycle). Le rapport cyclique s’exprime en pourcentage et il d\u00e9termine pendant combien de temps le signal PWM sera au niveau. Un troisi\u00e8me param\u00e8tre important d’un signal PWM est l’amplitude en tension de celui-ci. Pour qu’un signal PWM puisse \u00eatre utilis\u00e9 par un appareil, tel qu’un servomoteur, il faut que la tension du signal respecte la plage de tension de l’appareil que l’on souhaite contr\u00f4ler; une tension trop petite serait ignor\u00e9e par l’appareil ou lui donnerait un comportement impr\u00e9visible, alors qu’une tension trop grande risque de briser l’appareil.<\/p>\n\n\n\n

Dans le projet, trois signaux PWM distincts sont utilis\u00e9s pour contr\u00f4ler 3 servomoteurs diff\u00e9rents. Cependant, un des servomoteurs a une rotation continue, alors que les deux autres peuvent pivoter selon un angle de 180\u00b0. Autrement dit, pour un servomoteur, un signal PWM peut servir \u00e0 le contr\u00f4ler en vitesse et direction ou peut servir \u00e0 le contr\u00f4ler en position.<\/p>\n\n\n\n

Pour les deux signaux PWM qui sont utilis\u00e9s pour les servomoteurs positionnels, ceux de la cam\u00e9ra et de la direction, ces signaux ont une fr\u00e9quence de 250Hz, une amplitude maximale de 3,3V et a un rapport cyclique qui varie entre 10% et 55%.<\/p>\n\n\n\n

Pour le signal PWM qui est utilis\u00e9 pour le servomoteur continu, le signal a une fr\u00e9quence de 250Hz, une amplitude maximale de 3,3V et un rapport cyclique qui varie entre 10% et 60%.<\/p>\n\n\n\n

Principe #3 : Mesure du courant<\/h3>\n\n\n\n

Dans un circuit aliment\u00e9 par batterie, il peut \u00eatre n\u00e9cessaire de connaitre le courant qui est consomm\u00e9.<\/p>\n\n\n\n

Pour mesurer le courant, on utilise une r\u00e9sistance de pr\u00e9cision de faible valeur (pour ne pas affecter l’intensit\u00e9 du courant de mani\u00e8re significative) plac\u00e9e dans le trajet du courant. Cette r\u00e9sistance, g\u00e9n\u00e9ralement appel\u00e9e shunt, d\u00e9veloppe une tension proportionnelle au courant qui la traverse. \u00c9tant donn\u00e9 que la tension de la shunt est tr\u00e8s faible, il faut l’augmenter avec un amplificateur d’instrumentation avant d’\u00eatre convertie par un convertisseur analogique-num\u00e9rique (ADC). C’est avec le r\u00e9sultat de la conversion de l’ADC qu’on va pouvoir calculer le courant avec la loi d’Ohm<\/p>\n\n\n\n

Voici le sch\u00e9ma g\u00e9n\u00e9ral du circuit :<\/p>\n\n\n

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La r\u00e9sistance shunt doit \u00eatre choisie en fonction des crit\u00e8res suivants : une faible r\u00e9sistance, une tol\u00e9rance minime, une capacit\u00e9 de puissance \u00e9lev\u00e9e, un coefficient thermique faible et une faible inductance.<\/p>\n\n\n\n

Pour mesurer le courant, il existe deux techniques diff\u00e9rentes : la configuration bas potentiel et la configuration haut potentiel.<\/p>\n\n\n\n

Dans la configuration bas potentiel, la charge est devant la r\u00e9sistance shunt et la r\u00e9sistance shunt est r\u00e9f\u00e9renc\u00e9e \u00e0 la masse. Cette configuration permet \u00e0 l’amplificateur de d\u00e9tection du courant de jouer le r\u00f4le de composant basse tension, car la tension d\u00e9tect\u00e9e est de l’ordre de seulement quelques millivolts au-dessus de la r\u00e9f\u00e9rence \u00e0 la masse.<\/p>\n\n\n

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L’inconv\u00e9nient de la mesure du courant bas potentiel est que la charge n’est plus r\u00e9f\u00e9renc\u00e9e \u00e0 la masse due \u00e0 la position de la r\u00e9sistance shunt, ce qui a pour cons\u00e9quence de placer la partie bas potentiel de la charge \u00e0 plusieurs millivolts au-dessus de la masse.<\/p>\n\n\n\n

Dans la configuration haut potentiel, la charge est apr\u00e8s la r\u00e9sistance shunt.<\/p>\n\n\n

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Cette configuration pr\u00e9sente deux principaux avantages par rapport aux mesures bas potentiel. Premi\u00e8rement, il est facile de d\u00e9tecter un court-circuit, car le court-circuit traversera la r\u00e9sistance shunt et d\u00e9veloppera une tension correspondant au court-circuit qui pourra \u00eatre d\u00e9tect\u00e9 par l’amplificateur d’instrumentation. Deuxi\u00e8mement, comme cette technique de mesure n’est pas r\u00e9f\u00e9renc\u00e9e \u00e0 la masse, les tensions de masse diff\u00e9rentielles d\u00e9velopp\u00e9es par les forts courants n’auront pas d’incidence sur la mesure.<\/p>\n\n\n\n

La technique de mesure du courant \u00e0 haute tension a un inconv\u00e9nient majeur. Cela n\u00e9cessite que l’amplificateur de d\u00e9tection du courant puisse ignorer les grandes variations de la tension d’alimentation, car la faible tension mesur\u00e9e \u00e0 travers la r\u00e9sistance (shunt) est juste en dessous de la tension d’alimentation de la charge. Selon la conception du syst\u00e8me, cette tension globale peut \u00eatre assez \u00e9lev\u00e9e.<\/p>\n\n\n\n

Dans la manette et le v\u00e9hicule, la configuration qui est utilis\u00e9e est la configuration haut potentiel.<\/p>\n\n\n\n

Principe #4 : Convertisseur Analogique \u00e0 Num\u00e9rique<\/h3>\n\n\n\n

Un convertisseur analogique \u00e0 num\u00e9rique, ou ADC (pour Analog-to-Digital Converter), est un dispositif qui transforme les signaux analogiques en signaux num\u00e9riques. Les signaux analogiques sont des signaux continus, comme la voix humaine ou la temp\u00e9rature mesur\u00e9e par un capteur, qui peuvent varier de mani\u00e8re fluide et sans interruption. En revanche, les signaux num\u00e9riques sont constitu\u00e9s de valeurs discr\u00e8tes, souvent repr\u00e9sent\u00e9es par des chiffres binaires (0 et 1), que les ordinateurs peuvent facilement traiter et emmagasiner.<\/p>\n\n\n\n

Pour convertir un signal analogique en signal num\u00e9rique, l’ADC a besoin de 2 \u00e9tapes : l’\u00e9chantillonnage et la quantification.<\/p>\n\n\n\n

Pour l’\u00e9tape de l’\u00e9chantillonnage, l’ADC pr\u00e9l\u00e8ve des \u00e9chantillons du signal analogique \u00e0 intervalles r\u00e9guliers. Cela signifie qu’il mesure la valeur du signal \u00e0 des moments pr\u00e9cis. La fr\u00e9quence \u00e0 laquelle ces \u00e9chantillons sont pr\u00e9lev\u00e9s est appel\u00e9e fr\u00e9quence d’\u00e9chantillonnage. Une fr\u00e9quence d’\u00e9chantillonnage plus \u00e9lev\u00e9e signifie que le signal est mesur\u00e9 plus souvent, ce qui permet une repr\u00e9sentation num\u00e9rique plus pr\u00e9cise du signal analogique original.<\/p>\n\n\n\n

L’image ci-dessous pr\u00e9sente un signal analogique qui se fait \u00e9chantillonner.<\/p>\n\n\n\n

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Pour l’\u00e9tape de la quantification, l’ADC doit attribuer une valeur num\u00e9rique \u00e0 chaque \u00e9chantillon. Le signal analogique peut prendre une infinit\u00e9 de valeurs, mais l’ADC doit le convertir en un nombre limit\u00e9 de valeurs discr\u00e8tes. Cela se fait en divisant la plage possible des valeurs du signal en un certain nombre de niveaux ou \u00ab\u00a0pas\u00a0\u00bb. Par exemple, si l’ADC peut repr\u00e9senter des valeurs sur une \u00e9chelle de 0 \u00e0 255 (ce qui est courant pour un ADC \u00e0 8 bits), chaque \u00e9chantillon du signal analogique sera arrondi \u00e0 la valeur num\u00e9rique la plus proche parmi ces 256 niveaux.<\/p>\n\n\n\n

Chaque niveau de quantification est ensuite converti en un nombre binaire. Par exemple, si un \u00e9chantillon est arrondi \u00e0 128 sur une \u00e9chelle de 0 \u00e0 255, cela pourrait \u00eatre repr\u00e9sent\u00e9 en binaire comme 10000000. C’est cette donn\u00e9e que l’on va pouvoir utiliser dans un algorithme pour travailler avec ou pour la stocker dans une base de donn\u00e9es.<\/p>\n\n\n\n

L’image ci-dessous montre les \u00e9chantillons qui sont quantifi\u00e9s. \u00c0 la fin du processus, on obtient un signal num\u00e9rique plus ou moins similaire \u00e0 notre onde analogique.<\/p>\n\n\n\n

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Le projet du v\u00e9hicule t\u00e9l\u00e9guid\u00e9 avec cam\u00e9ra int\u00e9gr\u00e9e utilise 3 ADC. Les joysticks permettant de faire avancer et pivoter le v\u00e9hicule et de faire tourner la cam\u00e9ra envoient une tension analogique au microcontr\u00f4leur. Pour pouvoir utiliser les informations envoy\u00e9es par les joysticks, 3 des ADC internes au microcontr\u00f4leur sont utilis\u00e9es.<\/p>\n\n\n\n

Description de l’interface utilisateur<\/h2>\n\n\n\n
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Pour le v\u00e9hicule t\u00e9l\u00e9guid\u00e9 avec cam\u00e9ra int\u00e9gr\u00e9e, la quasi-totalit\u00e9 de l’interface utilisateur est sur la manette.<\/p>\n\n\n\n

Interface manette<\/h3>\n\n\n\n

Comme montr\u00e9 sur l’image ci-dessus, la manette comporte deux joysticks, un \u00e9cran et un interrupteur ON\/OFF.<\/p>\n\n\n\n

Le joystick de gauche permet de faire avancer et tourner le v\u00e9hicule. Il est possible de faire avancer et tourner le v\u00e9hicule en m\u00eame temps. Lorsqu’on pousse le joystick vers l’avant, le v\u00e9hicule avance; lorsque le joystick est tir\u00e9 vers l’arri\u00e8re, le v\u00e9hicule recule et lorsque le joystick est inclin\u00e9 \u00e0 gauche ou \u00e0 droite, le v\u00e9hicule va dans la direction de l’inclinaison du joystick. Le joystick \u00e0 droite de l’\u00e9cran sert \u00e0 faire pivoter la cam\u00e9ra de gauche \u00e0 droite. La cam\u00e9ra va pivoter dans la direction de l’inclinaison du joystick, vers la gauche ou la droite. Pour le v\u00e9hicule et la cam\u00e9ra, leur mouvement sera proportionnel au mouvement du joystick attitr\u00e9.<\/p>\n\n\n\n

L’\u00e9cran affiche deux informations. Il affiche en pourcentage l’\u00e9tat de la batterie pour la manette et pour le v\u00e9hicule. Lorsqu’une ou les deux batteries tombent \u00e0 5% ou moins, l’\u00e9cran affiche un message d’alarme sp\u00e9cifiant que la batterie qui est sous 5% doit \u00eatre recharg\u00e9e.<\/p>\n\n\n\n

Interface v\u00e9hicule<\/h3>\n\n\n\n

L’interface du v\u00e9hicule se r\u00e9sume simplement \u00e0 l’interrupteur ON\/OFF qui se trouve sous le v\u00e9hicule \u00e0 l’avant-gauche.<\/p>\n\n\n\n

Instruction d’utilisation<\/h2>\n\n\n\n

Pour une utilisation de base du v\u00e9hicule, suivez cette proc\u00e9dure :<\/p>\n\n\n\n