PROTOTYPAGE D’UN ROBOT-VEHICULE

Historique de robotique mobile en bref

             La robotique est l’ensemble des techniques, scientifiques ou industriels, permettant la conception et la réalisation des machines automatiques ou des robots. Tandis que le robot est une machine équipée de capacités de perception, de décision et d’action qui lui permettent d’agir de manière autonome dans son environnement en fonction de la perception qu’il en a. Autrement, un robot c’est appareil effectuant, grâce à un système de commande automatique à base de micro-processeur, une tâche précise pour laquelle il a été conçu dans le domaine industriel, scientifique ou domestique. La robotique est un domaine pluridisciplinaire qui implique de nombreuses thématiques telles que la mécanique, la mécatronique, l’électronique, l’automatique, l’informatique ou l’intelligence artificielle. Ci-dessous l’organigramme de la structure constituante d’un robot mobile. Le terme de robot apparaît pour la première fois dans une pièce de Karel Capek en 1920 : Rossum’s Universal Robots. Il vient du tchèque « robota » équivalent de la servitude. Le terme de robotique quant à lui est apparu en 1942. Historiquement, « la Tortue » : robot construit par Grey Walter dans les années 1950, est l’un des premiers robots mobiles autonomes. Dans les années 60, les recherches en électronique vont conduire, avec l’apparition du transistor, à des robots plus complexes comme le robot « Beast » de l’université John. Les premiers liens entre la recherche en intelligence artificielle et la robotique apparaissent à Stanford en 1969 avec le robot « Shakey », plate-forme de démonstration. Le robot « Stanford Cart » date de la fin des années 1970. En France, le robot « Hilare » est le premier robot construit en 1977 au LAAS, à Toulouse. Le robot « Genghis », développé par Rodney Brooks au MIT au début des années 1990, a permis de passer de gros robots à de petits robots. Ces développements ont continué et l’arrivée sur le marché depuis les années 1990 de plateformes intégrées telles que le robot « pioneer » de la société Mobile Robots a permis à de très nombreux laboratoires de travailler sur la robotique mobile et à conduit à une explosion de la diversité des thèmes de recherche. Ainsi, même si les problèmes de déplacement dans l’espace et de modélisation de l’environnement restent difficiles et cruciaux, des laboratoires ont pu travailler sur des approches multi-robot, la problématique de l’apprentissage ou sur les problèmes d’interactions entre les hommes et les robots.

La télérobotique dans le domaine médical et l’aide aux personnes handicapées

                 Le domaine d’aide aux personnes handicapées est extrêmement riche de possibilités. De nombreux projets ont été étudiés et mis en œuvre afin d’aider des handicapés à mieux vivre. On peut citer par exemple les projets SPARTACUS et le projet MASTER du CEA (Commissariat à l’Energie Atomique) ont permis l’automatisation de quelques tâches quotidiennes à partir d’une commande utilisant les mobilités disponibles de l’handicapé. L’aide aux personnes handicapées moteur se développe depuis quelques années. La robotique mobile peut y apporter sa contribution. Défini en lien avec l’Association Française contre les Myopathies (AFM), Le projet ARPH7 a comme objectif d’embarquer un bras manipulateur sur une base mobile autonome pour donner aux personnes handicapées la possibilité de réaliser seules des tâches de la vie quotidienne, soit dans son environnement proche en vision directe, soit dans un environnement plus lointain en vision indirecte (en mode de téléopération).

Histoire du Nucléaire et la Robotique

             En matière nucléaire, la robotique connait plusieurs domaines d’application. Les premiers robots développés aux Etats-Unis dès les années 1950, se résumaient à des bras de manipulation, dotés de caméras et de projecteurs. Après l’accident de Three Mile Island en 1979, les tâches de surveillance, d’inspection et de décontamination étaient effectuées par des manipulateurs télécommandés, dont les célèbres robots « Fred » (pour la surveillance à distance ), « SISI », « ROSA » (pour enlever le combustible du cœur) et autre « Louie ». Un des premiers prototypes de robot téléopéré français construit pour intervenir en terrain très radioactif a été imaginé dès 1975 par le CEA. Le robot « MERIT » (Module d’Entrée et de Réparation Interne de Tuyauteries d’eaux) était capable de monter et descendre les escaliers, franchir des obstacles et se saisir d’objets, tout en résistant aux radiations, pour effectuer des observations vidéo, contrôles de sécurité et des opérations de maintenance dans les circuits hydrauliques des centrales nucléaires. En 1983, le robot « MIR » (Machine d’Inspection des Réacteurs rapides) a suivi son exemple pour réaliser des contrôles de soudures par ultrasons entre la cuve principale et la cuve de sécurité de Superphénix. Vinrent ensuite le robot « Centaure », commandé à 500 mètres, pour intervenir en milieu hostile après un accident nucléaire et le robot « Sherpa », doté de six (06) jambes télescopiques et d’un plateau pour porter des charges lourdes. De fait, le robot « Centaure » a prouvé toute son efficacité après l’accident de Tchernobyl et la création en 1988 du Groupe d’intervention robotique sur accidents (INTRA) par EDF, AREVA et le CEA. INTRA dispose en effet d’un parc de robots dérivés de robot « Centaure », capables d’intervenir à la place de l’homme. Mais depuis, les matériels d’intervention ont bien évolué dans tous les domaines. Loin de remplacer l’homme, ils permettent de réduire les risques d’exposition en zone hostile. C’est le cas du bras manipulateur « Maestro » et son logiciel de supervision en temps réel. Issu de 20 ans de Recherche et Développement entre le CEA, Cybernetix et l’IFREMER, « Maestro » est capable d’emporter dans des zones très radioactives les scies, perceuses, meuleuses ou cisailles nécessaires pour découper in situ des appareils irradiés. Il peut être installé sur un pont roulant, un monte-charge ou un véhicule selon le chantier. Dans les centrales nucléaires françaises, tout le monde connait la MIS, machine d’inspection en service. Véritable pieuvre d’acier de 12 tonnes et 7 mètres de haut, la MIS, commandée à distance par 300 mètres de câbles de fibre optique, scrute en une dizaine de jours chaque centimètre carré de la cuve des réacteurs. Vidéo, ultrasons, radiographie… de ses examens dépend la poursuite du fonctionnement de la cuve. Imaginé et conçu par AREVA de Marcoule et livré au CEA en Juillet 2015, le robot « RIANA » (Robot for Investigations and Assessments of Nuclear Areas) peut intervenir sur tous les sites nucléaires, à l’extérieur comme à l’intérieur. Véritable 4 × 4, il est modulaire et peut donc répondre seul à une diversité de missions, là où plusieurs robots seraient nécessaires : cartographies 2D ou 3D, prélèvement d’échantillons solides et liquides, mesures physiques, mesure de la radioactivité… « RIANA » mesure 77,5 centimètres de long, 54 centimètres de large, 56 centimètres de haut, de poids total de 65 kg et peut se déplacer à une vitesse maximale de 3 mètres par seconde.

Dates importantes de l’évolution des microcontrôleurs 8-bits

           Apparaissant au milieu des années 1980, le microcontrôleur 8-bits a beaucoup évolué jusqu’à aujourd’hui, ceci grâce aux améliorations consécutives des microprocesseurs et des mémoires qui y sont associées. La « loi de Moore » prévoit que le nombre de transistors inscriptibles sur une même surface de Silicium double tous les dix huit mois, ce qui a permis d’utiliser des processeurs plus performants dans les microcontrôleurs ou d’en réduire la taille. L’évolution de l’ « EEPROM » (Electrically Erasable Read Only Memory / Mémoire à lecture seule effaçable électriquement) et l’apparition de la mémoire « Flash » qui allie vitesse élevée, durabilité et faible consommation ont également contribuées au développement des microcontrôleurs. Suivant les utilisations faites du microcontrôleur, le choix entre les concepts CISC et RISC (VLIW, DSP,…) peut amener une amélioration substantielle. Un microcontrôleur RISC (Reduced Instruction Set CPU) a un jeu d’instruction réduit (<100 instructions typiquement). Par opposition au microcontrôleur CISC (Complex Instruction Set CPU) qui peut avoir beaucoup plus de 100 instructions. Les dates importantes de l’évolution des microcontrôleurs 8-bits sont :
– 1946 : Création de l’ « ENIAC » (Electronic Numerical Integrator and Calculator / Calculateur et intégrateur numérique électronique) par P. Eckert et J. Mauchly. L’ »ENIAC » est considéré comme le premier ordinateur, il occupait alors plusieurs salles et ce programmait grâce à des câbles.
– 1947 : Invention du transistor par William Bradford Shockley, Walter H. Brattain et John Bardeen.
– 1948 : Première machine de Von Neumann fonctionnant : la « Baby » a été construite à l’université de Manchester.
– 1954 : Premier transistor commercial au Silicium conçu par « Texas Instrument »
– 1958 : Invention du circuit intégré par Jack Kilby chez « Texas Instrument ».
– 1968 : Fondation de « Intel ».
– 1971 : Création du premier microprocesseur : le « 4004 » d’Intel, unité de calcul à 4 bits, cadencé à 108 kHz.
– 1984 : Fondation d’ « Atmel » Motorola développe le microcontrôleur MC 68HC11 de 8 bits.
– 1989 : Fondation de « Microchip » et lancement de leur série PIC16C5X.
– 1990 : Premier microcontrôleur PIC de « Microchip » à 8 broches.
– 1995 : Premier microcontrôleur 8-bits RISC d’Atmel à mémoire Flash.
– 2003 : « Microchip » devient le premier fournisseur de microcontrôleurs 8-bits.
– 2004 : Motorola se sépare de sa filiale s’occupant des microcontrôleurs qui devient « Freescale »

Table des matières

INRODUCTION
Chapitre 1 : Introduction à la Télérobotique mobile
1.1. Historique de robotique mobile en bref
1.2. Notions de la robotique mobile
1.3. Architecture des robots mobiles
1.4. Classification des Robots Mobiles
1.4.1. Classification selon le degré d’autonomie
1.4.2. Classification selon le type de locomotion
1.4.2.1. Les robots mobiles à roues
1.4.2.2. Robot mobile utilisant la chenille
1.4.2.3. Les robots mobiles marcheurs
1.5. Caractéristiques d’un robot
1.5.1. La charge maximale transportable
1.5.2. Le volume de travail
1.5.3. Le positionnement absolu
1.5.4. La répétabilité
1.5.5. La vitesse de déplacement
1.6. La téléoperation et la télérobotique
1.6.1. La télérobotique dans le domaine médical et l’aide aux personnes handicapées
1.6.2. La télérobotique dans le domaine sous-marin
1.6.3. La télérobotique dans le domaine spatial
1.6.4. La télérobotique dans le domaine militaire
1.6.5. La télérobotique dans le domaine nucléaire
1.7. Histoire du Nucléaire et la Robotique
Chapitre 2 : Le microcontrôleur 8-bits AVR RISC de l’Atmel®ATmega128L
2.1. Introduction sur le microcontrôleur
2.1.1. Dates importantes de l’évolution des microcontrôleurs 8-bits
2.1.2. Les fabricants principaux des Microcontrôleurs 8-bits
2.2. Le microcontrôleur AVR ATmega128L
2.2.1. Introduction sur ATmega128
2.2.2. Définition d’un AVR
2.2.3. Les périphériques des Atmel AVR
2.2.4. Caractéristiques de l’ATmega128
2.2.5. Synoptique de l’architecture interne de l’ATmega128
2.2.6. Le plan mémoire de l’ATmega128
2.2.8. Les Registres dans l’ATmega128
2.2.9. Classement des Registres dans ATmega128
2.3. Présentation physique de l’ATmega128
2.4. Description des broches de l’ATmega128
2.5. Architecture interne de l’ATmega128
2.6. Les éléments de base de l’ATmega128
2.6.1. L’Horloge Système
2.6.2. Le Chien de Garde ou Watchdog (WDT)
2.6.3. Les interruptions
2.6.4. La Mémoire EEPROM
2.6.5. Les Entrées/Sorties Numériques (PORTx)
2.6.6. Le Comparateur Analogique (AC)
2.6.7. Le Convertisseur Analogique / Numérique (ADC)
2.6.8. Le Timer/Compteur0 à 8 Bits (TIMER0)
2.6.9. Le Timer/Compteur1 et Timer/Compteur3 (Timer3) à 16 Bits
2.6.10. Le Timer/Compteur2 à 8 Bits (Timer2)
2.6.11. L’interface Série Synchrone SPI
2.6.12. L’interface Série USART
2.6.13. L’interface I2C (TWI)
Chapitre 3 : Généralités sur les rayonnements
3.1. Introduction
3.2. Classification des rayonnements
a)- Les rayonnements ionisants
b)- Les rayonnements non ionisants
3.3. Les sources de rayonnements
3.3.1. Les rayonnements électromagnétiques
3.3.2. Les rayonnements corpusculaires
3.4. L’interaction des rayonnements avec la matière
3.4.1. Section efficace d’interaction
3.4.2. Interaction photon – matière
A. Interaction élémentaire
A.1. La diffusion Rayleigh
A.2. La L’effet photoélectrique
A.3. La diffusion Compton
A.4. La production de paires d’électrons (effet de matérialisation)
A.5. Les réactions photo-nucléaires
B. Interaction globale
3.4.3. Interaction particules chargées – matière
A. Transfert linéique d’énergie électronique
B. Transfert linéique d’énergie électronique
C. Parcours des particules chargées (range)
D. La courbe de Bragg
3.4.4. Interaction particules chargées – matière
A. Transfert linéique d’énergie électronique
B. Transfert linéique d’énergie nucléaire
C. Parcours des particules chargées (range)
3.4.5. Interaction des neutrons avec la matière
A. Calcification
B. Les différents types d’interaction
a)- La diffusion élastique
b)- La diffusion inélastique
c)- La capture radiative
d)- Les réactions de capture type (n,p) et (n,α)
e)- Réactions de fission provoquées par les neutrons
3.5. Grandeurs et unité radiométrique et dosimétrique
A. Les grandeurs radiométriques
A.1. La fluence particulaire
A.2. La fluence énergétique
B. Grandeurs dosimétriques
B.1. L’exposition
B.2. Le kerma
B.3. La dose absorbée
C. Doses radio-biologiques
C.1. Dose équivalente
C.2. Dose efficace
Chapitre 4 : Les détecteurs des rayonnements ionisants
4.1. Principe de détection des rayonnements ionisants
4.2. Modes de fonctionnement du détecteur
4.2.1. Le mode Courant
4.2.2. Le mode Impulsion
4.3. Modes de fonctionnement du détecteur
4.3.1. Le temps mort (Dead Time)
4.3.1.1. Le modèle non paralysable
4.3.1.2. Le modèle paralysable
4.3.2. Mesure du temps mort
4.3.2.1. Méthode d’une source radioactive de courte période
4.3.2.2. Méthode de deux sources radioactives
4.3.3. Résolution en énergie d’un détecteur
4.3.4. Efficacité géométrique d’un détecteur
4.3.4.1. L’efficacité absolue
4.3.4.2. L’efficacité intrinsèque
4.4. Autres caractéristiques des détecteurs
4.4.1. La réponse géométrique
4.4.2. La stabilité en réponse et de l’information dans le temps
4.4.3. L’équivalence au milieu dans lequel nous souhaiterions véritablement faire la mesure
4.4.4. La transparence à son propre signal
4.5. Les détecteurs à gaz
4.5.1. Principe d’un détecteur à gaz
4.5.2. Energie moyenne nécessaire pour créer une paire d’ions
4.5.3. Phénomènes entraînant la disparition des charges
4.5.3.1. La recombinaison
4.5.3.2. L’attachement électronique
4.5.3.3. La charge d’espace
4.5.3.4. La diffusion
4.5.4. Classes de détecteurs à gaz
4.5.4.1. La Chambre d’Ionisation
4.5.4.1.1. La Chambre d’Ionisation à paroi d’air
4.5.4.1.2. La Chambre d’Ionisation à stylo
4.5.4.2. Le Compteur proportionnel
4.5.4.2.1. Les courbes caractéristiques d’un Compteur proportionnel
4.5.4.3. Le Compteur Geiger-Muller
4.5.4.3.1. L’extinction externe
4.5.4.3.2. Gaz auto coupeur (extinction interne)
4.6. Electronique associé au détecteur
4.6.1. La chaine de mesure spectrométrique
4.6.2. La Composition de la chaine de mesure
4.6.2.1. L’alimentation haute tension
4.6.2.2. Le préamplificateur
4.6.2.3. L’amplificateur
4.6.2.4. Le discriminateur
4.6.2.5. L’analyseur monocanal
4.6.2.6. L’analyseur multicanal
Chapitre 5 : Réalisation d’un prototype de robotde mesure à distance de la radioactivité
5.1. Présentation du prototype
5.1.1 L’Aspect mécanique du prototype
5.1.2 L’Aspect électronique du prototype
5.1.2.1. L’électronique de contrôle et de commande
5.1.2.2. L’électronique de commande et de contrôle des moteurs
5.1.2.3. L’électronique de détection de la radioactivité
5.2. L’Aspect informatique du prototype
5.2.1. Le système de développement
5.2.2. Le module de manette de contrôle
5.2.3. Le programme « moniteur » du prototype
5.2.4. Les transmetteurs Radio Fréquence
5.2.4.1. La transmission à distance des données
5.2.4.2. La chaîne de télésurveillance
5.2.5. Le sous programme comptage à distance des événements radioactifs
5.2.6. Le sous programme de détection d’obstacles
5.2.7. Le sous programme d’odométrie
5.2.8. Le logiciel d’interface utilisateur
5.2.8.1. Programme des actions sur CEC TestPoint pour L’interface Utilisateur
5.3. Présentation des deux (02) prototypes réalisés
Chapitre 6 : Résultats sur les tests de mesure à distance de la radioactivité avec le Prototype
6.1. Méthodes utilisées sur les mesures expérimentales
6.1.2. Mesures de radioactivité avec le prototype de robot-véhicule
6.1.2.1. Mesures des bruits de fonds avec le prototype de robot-véhicule
6.1.2.2. Mesures des sources standards avec le prototype de robot-véhicule
6.1.2.3. Mesures des sources standards avec le « mini-con » series 1000
6.1.2.4. Récapitulation des résultats de mesures de la radioactivité effectuées en 09 Décembre 2005
6.1.2.5. Récapitulation des résultats de contre-mesures de la radioactivité effectuées en 12 Août 2016
6.1.2.6. Comparaison entre la mesure de distance parcourue par le prototype mesurée avec une règle graduée et celle de l’odomètre
Chapitre 7 : Discussion et Conclusion
7.1. Discussion
7.2. Conclusion
7.3. Perspective
ANNEXE A : Copie d’une brochure sur le système « RAM-UGV » par ROTEM Industries LTD., en Israël(1998)
ANNEXE B : Copies des photos de présentation du projet 2002 sur « Prototypage d’un petit Robot-Véhicule de mesure à distance de la radioactivité »
BIBLIOGRAPHIE

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