Interface Servomoteur IR pour RCX
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1. Interface Servomoteur IR pour RCX T l commande IR pour servo de mod lisme compatible RCX Lego Claude Baumann L un des seuls reproches que l on puisse faire au syst me Mindstorms de Lego est qu il lui manque des moteurs positionnement tant soit peu pr cis Cette constatation a incit l auteur d velopper une interface permettant le pilotage simultan de 3 servo commandes de mod lisme par le biais de l interface IR du composant RCX alias le bloc jaune Pour la plupart des projets de robots les lors que l on cherche r aliser des 3 types de moteurs 9 V de Lego Technique positionnements angulaires plus font parfaitement l affaire Cependant d s pr cis on ne manquera pas de grin Note LEGO Mindstorms ROBOLAB RCX et le logo LEGO sont des marques d pos es du Lego Group Pour de plus amples informations veuillez vous r f rer www lego com eng info airplay asp Labview est une marque d pos e de National Instruments Corporation 62 cer des dents en constatant le jeu pr sent par les engrenages le besoin de solutions meilleures n en deviendra que plus vident Les servo commandes utilis es dans le monde du mod lisme peuvent se targuer d une pr cision bien sup rieure Cependant on se trouve confront alors des probl mes non seulement de connexion m canique mais aussi de pilotage par le biais du RCX qu il n est pas possible d limi ner d un coup de baguette magique N2. quence de l ordre de 50 Hz Dans le cas pr sent la fr quence exacte ne joue aucun r le d s l instant o elle se situe entre 30 et 60 Hz Le trans fert de l information fait uniquement appel la largeur d impulsion du signal rectangulaire facteur qui varie entre 1 et 2 ms Comme l illustre le chrono diagramme de la figure 1 la position centrale de la servo se situe 1 5 ms Au coeur de la servo on a d placement parall lement l axe de commande du disque d un potentiom tre de posi tion qui fournit l lectronique mon t e dans la servo l information angu 3 2004 Elektor laire requise Il est interdit de forcer la servo au del de ses limites d un c t ou de l autre en raison de la but e du potentiom tre vu que sinon il y a risque de dommages irr m diables Ce pourrait tre le cas en cas d application d impulsions dont la largeur sort du domaine autoris Il faut pour commander simultan ment 3 moteurs de servo commande g n rer 3 signaux rectangulaires dont les largeurs d impulsion doivent pouvoir tre vari es ind pendam ment l une de l autre Un coup d oeil au sch ma de la figure 3 montre que la source de ces signaux est IC3 un microcontr leur du type PIC16F628 La structure du programme enfoui dans le PIC est telle qu 50 Hz on a une succession chronologique des 3 impulsions de commande en respect de la relation suivante Aon Aoff Bon Boff Con Coff 1 50 s
3. cela n a pas la moindre importance Cependant il faudra en tout cas ins rer une petite pause entre 2 missions de codes op ratoires vu que l on risque sinon des interf rences IR Cette instruction subit de petites modifications 0x14 0 dummy 0 dummy ins truction data Les RCX concern s perdent mal heureusement le contr le de la variable 0 L ensemble du protocole LEGO requiert quelques donn es addition nelles pour le suivi de la transmis sion informations r capitul es dans le tableau 2 Si c t r cepteur on calcule les nombres compl men taires et la somme de v rification des octets re us et que l on v rifie ensuite si l octet suivant est bien le bon il y a un contr le s rieux et effi cace de la qualit de la transmission des donn es Bien que le RCX lui m me proc de encore un test de parit cela n est pas n cessaire au niveau du programme du PIC IC2 vu que l UART 16F628 ne proc de pas un test de parit automatique Pour le circuit int gr r cepteur d modu lateur IR l auteur a opt pour un TSOP1738 de Vishay Telefunken au prix tr s abordable La transmission IR LEGO se fait C ae 38 kHz porteuse et 2 400 bauds Le r cepteur IR sensible permet une port e pouvant aller jusqu 10 m tres si tant est que le RCX soit param tr pour une grande liai son IR Le tableau 3 passe en revue les ins tructions utilis es par les pro grammes de Robolab Le
4. proposons en figure 5 le brochage des c bles de connexion des servos les plus courantes Mode d emploi L interface de commande de servo se laisse piloter sous la houlette de Robolab 2 5 si tant est que l on soit en RCX Firmware 2 0 tant par la LEGO Tower RS 232 et USB que direc tement par le RCX Il existe pour ce faire dif f rents programmes disponibles au t l char gement les adresses correspondantes sont mentionn es dans l encadr T l charge 67 T l chargements Pour ce projet Dessin de la platine au format pdf t l charger sous la d nomination EPS 020356 1 sous www elektor fr dl dl htm Programme RCX pour la commande de servos code source et hex des 2 PIC sous la d nomination EPS 020356 1 I au m me endroit L auteur met disposition la totalit de sa documentation avec images au t l charge ment sous la forme d un fichier l adresse www convict lu IR_Servo_control zip ments pour ce projet permettez nous de vous en pr senter certains succinctement On d couvre en figure 6 un programme de t l chargement 2 t ches parall les Dans cet exemple le RCX augmentera ou dimi nuera l angle de consigne de la servo rouge en prenant comme r f rence la position m diane de la servo en fonction du capteur sensitif qui aura t touch Les couleurs rouge bleu et jaune sont d riv es des codes de couleur classiques de ROBOLAB La seconde ic ne de prog
5. 20 ms Dans cette formule Aon Bon et Con repr sentent les largeurs d impul sion souhait es L intervalle de temps de 20 ms dont nous disposons est subdivis en 3 parties gales en respectant les conditions suivantes Aoff 20 3 ms Aon Boff 20 3 ms Bon Coff 20 3 ms Con C est cette chronologie que repr if SIRT i i Aon A Bon Boff Con C Con off y on off von off wW 20 ms 020356 13 v 20 W 20 3 ms 3 ms Figure 2 Chronodiagramme du signal de sortie du PIC utilis pour la commande de 3 servos sente le diagramme impulsionnel de la figure 2 Grossi rement le programme de commande et de g n ration d impulsions prend en pseudo code la forme suivante Label_1 OutA on Wait Aon OutA off Wait Aoff OutB on Wait Bon OutB off Wait Boff OutC on Wait Con OutC off Wait Coff Goto Label_1 L lectronique de l interface L alimentation de l lectronique de la figure 3 se fera par le biais d une pile compacte 9 V d di e La r gulation de tension r alis e l aide d une paire de r gulateurs de tension IC1 et IC2 garantit un fonctionnement sans probl me sans chute de tension au cours du fonctionnement du moteur de servo En cas de commande simultan e de 3 moteurs le courant grimpe jusqu 500 mA environ Pour cette raison il ne saurait tre question de brancher l interface une sortie dRCX qui n est pas pr vue cette intention noter
6. LEGO Valeur PortA pour le contr le de la transmission A4 A3 A0 Valeur A7 A5 A2 Signification En t te hex 55 FF 00 AI masqu pour tous les Opcodes 0 0 0 0 0 NOP Opcode 0x14 d20 0 0 l l Charge A Opcode Complement OxFF 0x14 0xEB 0 0 2 8 Charge B Dummy 0x00 0 l l 3 9 Set Slope Dummy Complement OxFF l 0 0 4 l6 Charge C Dummy 0x00 l 0 5 17 Set Intercept Dummy Complement OxFF l l 0 6 24 NOP Instruction n l l l 7 25 Reset Instruction Complement not n Data x Data Complement not x LED l eau 3 Checksum s Checksum Complement not s Le set d instructions de Robolab Device Instruction Set Instruction Num ro Commande I 1 0 Select channel A 2 8 0 Select channel B 4 16 0 Select channel C I 1 1 255 Charge A 2 8 1 255 Charge B 4 16 1 255 Charge C 3 9 0 255 Set slope of selected channel default 14 Set intercept DIV 20 of selected channel 5 17 0 5100 0 255 default ms 7 25 x Reset all the slopes and intercepts to default Transfert de donn es Le transfert parall le des donn es entre IC2 et IC3 se fait en 2 tapes La mise en oeuvre exceptionnelle de 2 microcontr leurs se justifie par le fait que l on affaire un certain nombre de processus la chronolo gie extr mement critique ex cuter Il faut pour commencer que l UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter metteur R cepteur Asynchrone Univers
7. cuit int gr r cepteur IC5 sur la platine Il est fort bien possible de le d caler quelque peu et de le connecter au bornier baptis ICE Il est fort bien possible d utiliser au lieu du TSOP1738 de Vishay Telefunken donn dans la liste des composants d autres r cepteurs IR aux caract ristiques similaires Nous vous proposons le brochage d un cer tain nombre d entre eux dans le sch ma de la figure 4 Le type TSOP1736 est utilisable lui aussi sa sensibilit est cependant moindre sachant qu il travaille sur 36 et non pas 38 kHz Chacun de ces composants est tri pode Vous n aurez pas manqu de noter que le bornier IC5 comporte 5 points de connexion il a t cependant dessin de fa on ce pour chacun des composants men tionn s on utilise chaque fois 3 broches jux tapos es ce qui facilite le soudage ou la connexion distance Au niveau du quartz de 14 3 MHz aussi il existe une alternative Si l on ne devait pas disposer ou pouvoir mettre la main sur un quartz de cette fr quence on pourra le rem placer par un quartz plus facile trouver un 16 MHz par exemple Les servos de radio commande du commerce n ont pas de pro bl me avec la tol rance introduite par ce rem placement Les 3 servo commandes viennent se brancher sur les embases K2 K3 et K4 ce niveau aussi il faudra veiller respecter le brochage En effet selon leur fabricant le brochage du c ble de connexion de la servo diff re Nous vous
8. el se trouve en permanence en mode r ception vu que l interface n a aucun moyen de savoir quand doit arriver une ins truction IR Il faut en outre que l UART traite les donn es re ues conform ment au protocole LEGO utilis code op ratoire 0x14 ce qui se traduit dans le cas d un taux de transmission baudrate de 2 400 bauds par une taille de bloc de 15 octets bit de d but 8 bits de donn es bit de parit bit d arr t compris et implique une dur e de transfert de quelque 70 ms par ins truction Il faut en outre en fonction des instructions entrant g n rer 3 2004 Elektor 3 signaux MLI stables dont la tol rance doit tre inf rieure la zone morte de la servo La difficult d in t grer tous ces facteurs dans un pro gramme tenant la route enfoui dans un unique PIC est sans rapport avec le co t d un second 16F628 Les broches RB1 et RB2 de IC2 sont configur es en UART et ne sont par tant plus disponibles en tant que partie du bus de donn es parall le Elles sont remplac es par RA1 et RA2 Cette disposition requiert la mise en oeuvre d au moins une ligne de commande vu qu il n est pas pos sible de positionner de fa on syn chrone les deux ports de IC2 En l absence de ligne de commande IC3 r agirait l apparition de valeurs interm diaires parasites noter au niveau des lignes de commande que RAA de IC2 requiert tant une sortie drain ouvert une r sistance de for age a
9. en qu te de la liaison avec la Tower ta 68 TowerTest1 vi Diagram File Edit Operate Tools Browse Window Help Figure 8 Ce programme simple tourne sur PC il pilote les servos par le biais de la LEGO Tower blie sous ROBOLAB On ne pourra pas utiliser pour cela le mode clas sique ROBOLAB RCX Direct vu que celui attend toujours c t r cepteur une confirmation de r ception de la part du RCX Dans le cas pr sent on se trouve en pr sence d une mis sion unilat rale La figure 9 montre pour terminer le panneau principal du programme RCServo Manager dont la mise en oeuvre est extr mement simple Le d battement se fait par le biais de Slope et Intercept La Tower n met qu en cas de modification de l une TowerSERVOManager vi des valeurs Si ces changements se font courir la valeur RATE d ter mine le taux de cadencement 020356 1 www inchlab net 2servo interface htm 2 www hempeldesigngroup com lego servos 3 Dave Baum Michael Gasperi Ralph Hempel Luis Villa Extreme Mind storms An Advanced Guide to LEGO MINDSTORMS Page 313 4 www ceeo tufts edu robolabat ceeo Resources documentation L EGOMindStormsSDK zip File Edit Operate Tools Browse Window Help QC sssonten E Figure 9 L environnement du RCServo Managers est de mise en oeuvre simple et confortable Elektor 3 2004
10. es avant de passer au soudage du reste implanter et souder correctement des composants en commen ant par mais aussi respecter la polarit des les composants passifs Si l on veut composants en ayant une conden tre certain de r ussir la r alisation sateurs lectrochimiques diodes et il faut bien entendu non seulement le positionnement des circuits int SEC E Figure 6 Un des programmes RCX t l charger depuis www elektor fr Ici le positionnement de la servo se fait par le biais de capteurs sensitifs CXServo_Control vi Diagram File Edit Operate Tools Browse Window Help 46 checksum initialized with 20 instructiont 47 will always hold value to send Figure 7 Le coeur du programme RCX le mode metteur de UART du RCX 3 2004 Elektor gr s Au niveau du r gulateur de tension IC4 la surface m tallique doit tre tourn e vers l ext rieur de la platine La connexion de la pile 9 V se fait par le biais de la paire de picots constituant K1 La consommation de courant du montage d pend principalement du nombre de servos et de la consommation de ces derni res Si l on dispose de suffisamment de place il est pr f rable de remplacer la pile compacte de 9 V par un set de 6 piles LR6 Mignon La dur e de vie d une pile 9 V est en effet sensi blement moindre que celle d une batterie de cellules LR6 de 5 10 fois plus courte Il n est pas imp rativement n cessaire de monter le cir
11. gramme enfoui dans IC3 fait appel au temporisateur timer 16 bits TMR1 Le signal de servo le plus court celui de 1 0 ms correspond ainsi 3 575 incr men tations de TMR1 noter qu il s agit galement l du param trage de d part Il est suivi par une pause OFF de 20 3 1 ms qui correspond 20 258 impulsions d horloge La dur e d impulsion exprim e en cycle de PIC r pond la formule suivante t a x b formule dans laquelle 0 lt x lt 255 0 est r serv des fins sp cifiques a 7 150 3 575 255 1 14 0 Pente slope b 3 575 D calage du point z ro intercept Ceci explique le choix de la fr quence d horloge pour IC3 le rap port 3 575 254 est presque entier Le programme du PIC a en effet t dot d une capacit de modification de la pente et du d calage du point z ro voqu s dans la formule quelques lignes plus haut de mani re permettre un ajustement trim des servos Il faut dans le pro tocole de transmission respecter certaines limites qui recommandent d envoyer de donn es de 8 bits seu lement C est pour cette raison que la pente et l interception ne peuvent tre modifi es que par nombre entier l interception par pas de 20 uniquement Elektor 3 2004 o OR LEDILETT l Valeurs des lignes de commande Tableau 2 IC2 UART Donn es additionnelles du protocole
12. i ont t fournies par le r cepteur IR sous format parall le au second contr leur IC3 Ce processus se fait par le biais d un bus de don 64 n es 8 bits et d une ligne de com mande 3 bits On d duit de ces chiffres que la r solution maximale est de 256 Lintervalle de temps de 1 ms est subdivis en 255 pas ce qui se traduit en fonction des caract ristiques de la servo une pr cision angulaire meilleure que 1 Il se peut que sur certains types de servos cette r solution soit sup rieure la zone morte dead band de 5 us typique de sorte qu il peut arriver que le moteur de la servo ne r agisse pas un pas individualis Note les moteurs de servo ont besoin de la zone morte de mani re pouvoir en cours de mouvement de rotation rendre le plus rapide ment possible le signal de com mande entrant gal au signal de r f rence interne quelque peu en retard sans qu il ne se produise de battement du rotor aux alentours de l angle de consigne Le second PIC IC3 est cadenc une fr quence d horloge de 14 3 MHz d riv e du rapport dur e d impulsion servo cycle PIC Cette fr quence correspond un train d horloge de 69 9 ns l image de son pr d cesseur tr s appr ci le 16F84 l ex cution de la plupart des instructions RISC se fait dans le cas du 16F628 en 4 cycles d horloge y compris l incr mentation du tempo risateur De ce fait une instruction dure 279 9 ns Le pro
13. la 63 a lt i 22 Pe N RB6 RB5 RB4 RB3 RB2 RB1 RBO PIC16F628 x2 C 16 RA4 osc1 ICS 4 RB5 D RB4 ea RB3 L RB2 RB1 RBO C7 PIC16F628 216 osc1 RA4 308P du 15 RA1 es 2p RAO TSOP1738 SFH506 18 432MHz TFMS5380 SFH505A PIC12043S IS1U60 TSOP1838 NJL61H380 TSOP4838 SFH5110 K1 TSOP1738 SFH506 SFH505A PIC12043S TFMS5380 O a 2x1N4148 gt all RA3 22p C RA2 c10 RA1 1 RAO 1 22p i 14 3MHz R6 R5 R4 8 6V3 p RC Servo 5602 5609 020356 11 TSOP1838 TSOP4838 IS1U60 NJL61H380 SFH5110 4 g Figure 3 L lectronique se subdivise en 3 sous ensembles l alimentation r gul e IC et IC4 le r cepteur IR TSOP 1738 IC2 et le g n rateur MLI IC3 disposition trange des diodes D1 et D2 On a sur chacune d entre elles une chute de ten sion de quelque 0 65 V ce qui se traduit par un d calage du z ro de 1 3 V au niveau du 7805 De ce fait la tension de sortie du r gu lateur IC4 est rehauss e de la m me valeur et passe la valeur de 6 3 V classique pour la commande des servo commandes L lectronique de commande par infrarouge IR de moteur pas pas proprement dite comprend le r cepteur IR IC5 et une paire de microcontr leurs du type PIC16F628 mont s en succession Le premier des 2 microcontr leurs IC2 transmet les donn es s rielles qui lu
14. ous n avons pas la pr tention de vous apprendre que le RCX est le composant de pilotage central d un syst me Mindstorms Il s agit en fait d un petit micro ordinateur int gr dans un bloc Lego de couleur jaune de dimensions sup rieures celles d un bloc Lego standard Ralph Hempel le cr ateur de pbForth et Andreas Peter ont d ve lopp des modules auxiliaires qui permettent l utilisation de 2 moteurs de servo avec RCX On trouvera les descriptions correspondantes sur Internet aux adresses donn es en r f rences 1 et 2 Ralph Hempel a pr vu pour la commande de ses Elektor 3 2004 m Position servo 1 5 ms a no 2 ms 020356 12 Figure Principe de la commande d une servo par le biais d un signal impulsionnel dont la largeur d impulsion repr sente la position modules des instructions de pro grammation sp cifiques en pbForth savoir SERVO INIT et SERVO SET 3 On pourra pour attaquer des servo commandes base du progiciel 2 0 RCX standard RCX Standard Firm ware 2 0 mettre contribution l in terface propos e ici elle permet la commande d un maximum de 3 ser vos par l interm diaire de l interface IR du RCX Commande de servo La commande des servos utilis es en mod lisme se fait par le biais d une sorte de MLI Modulation en Largeur d Impulsion PWM pour Pulse Width Modulation en anglais Le signal de commande est un signal rectangulaire ayant une fr
15. ramme param tre le RCX pour une distance IR longue L affichage indique la valeur de pente slope momenta n e Il est possible de la m me mani re d ajuster la valeur d interception Des modifi cations du param tre de pente augmentent ou diminuent le d battement de la servo Des modifications du param tre interception n ont pas d autre effet que de d placer le point z ro de la servo le neutre Comme l accoutum e sous ROBOLAB LAB VIEW les parties de programmes sont attri bu es graphiquement de nouvelles ic nes De cette fa on m mes les programmes les plus complexes restent lisibles La figure 7 montre le coeur du programme RCX il s agit de l application mission de l UART du RCX On trouvera de plus amples informations sur la mise en oeuvre de l UART dans la partie documentation apr s installation du pro gramme Lego Mindstorms SDK 4 Le programme simple repr sent en figure 8 tourne sur PC Le moteur de la servo rouge tourne lentement sur son domaine de d pla cement noter la boucle FOR de LABVIEW avec registre d calage Par les lignes poin till es circulent des donn es qui s ajoutent lors de chaque it ration du registre d ca lage Cela permet par exemple un suivi tr s efficace du programme dans l attente d une erreur potentielle Les 2 ic nes ext rieures servent respective ment l initialisation et la cl ture de la liai son vers la LEGO Tower Le programme se met
16. roit la documentation technique le code op ratoire complet prend la forme sui vante SETVAR 0x14 variable source number LO number HI Reply 0xE3 il faut tenir compte du fait que le module RCX r cepteur envoie apr s v ri fication d un code op ratoire une confirma 65 000 of Re lo op M7 10 ol lo 0 56 or TS En o Ho 0 O no o nA ToL ICETA ae t aeo ARTS eE coll me BA Kon log TS ir C13 Liste des composants R sistances RI R2 10 kQ R3 330 Q R4 R6 560 Q Condensateurs CI C2 C4 CS CI1 C12 100 nF C3 4uF7 16 V radial C6 470 uF l6 V radial C7 CIO 22 pF CI3 100 uF l6 V radial Semi conducteurs D1 D2 IN4148 ICI 78L05 IC2 IC3 PICI6F628 programm s EPS 020356 41 IC2 et 42 1C3 IC4 7805 IC5 TSOP1738 cf texte Divers KI pile 9 V compacte cf texte K2 K4 embase autos cable m le rang e de 3 contacts XI quartz 18 432 MHz X2 quartz 14 3 MHz cf texte Platine 020356 1 Diskette EPS 020356 1 1 Les contr leurs programm s la platine et les disquettes sont disponibles aupr s des adresses habituelles dont wwvw elektor fr pcbs pcbs htm pour le contenu de la disquette cf Lencadr T l chargements pour ce projet 66 Figure 4 Un dessin de platine compact il ne faudra pas oublier les ponts de c blage tion de r ception Dans le cas qui nous int resse
17. s valeurs r ellement envoy es sont mises entre parenth se Comme nous le disions plus haut il faut proc der avec pr caution lors de la commande de d battement trim Pour viter de faire sortir la servo de son domaine avec comme cons quence un risque d endommagement il est fortement recommand de ne travailler que par petits pas La r alisation La construction de l interface ne devrait pas poser de probl me en d pit de la relative compacit de l implantation des composants ce gr ce la platine propos e en figure 4 La mise en place des ponts de c blage requiert un minimum d attention mais c est l le prix payer si l on veut r aliser une platine simple face Il y a 6 ponts au total 3 d entre eux se trouvent sous les cir cuits int gr s l un sous IC2 et deux sous IC3 On utilisera de pr f rence du conducteur isol pour les dits ponts de c blage que l on montera alors c t pistes Une autre solu tion consiste utiliser un fil de cuivre extr mement fin que l on glissera sous les supports avant la mise en place de ces derniers En tout tat de cause on commencera toujours l implantation des composants par la mise en place des ponts de c blage Gl gg GERMI Le t 9S 070 SJ Elektor 3 2004 o OR Conrad Gr 1 0 Futaba Multiplex Robbe Microprop Simprop I _ I PIS I I JL l P n z L 000160 13 Figure 5 Brochage de diff rents mod les de servo command
18. u niveau haut pull up qui prend la forme de R1 10 KQ Les 2 circuits int gr s connaissent une configuration de base qui force en interne MGR VDD De ce fait la broche de IC3 est utilisable en entr e RAS Le tableau 1 r capitule les valeurs des lignes de commande et leur signification UART du RCX On apprend l adresse de LEGO Mind storms SDK2 4 que la version de progiciel Firmware 2 0 permet un acc s utilisateur au canal d mission de l UART du RCX Cette possibilit ouvre des perspectives de projets robotiques insoup onn es Il est possible ainsi dans ces conditions de faire program mer un RCX par un autre RCX ou encore de faire en sorte que plusieurs modules RCX trai tent des capteurs ou des valeurs de variables communs et ainsi de suite Il suffit de res pecter le protocole UART de LEGO et d utiliser les codes op ratoires convenables Il faut cependant tenir compte du fait que tous les modules RCX sont adress s l int rieur du domaine de r ception des instructions IR D apr s SDK cela peut avoir des suites catastrophiques Nous avons pour de tr s bonnes raisons opt pour l utilisation du code op ratoire 0x14 Servar ou Setv Cette instruction n est plus utilis e sous Robo lab 2 5 vu que Firmware 2 0 a vu l introduc tion d une instruction SET universelle qui per met en fonction du param trage de d ter miner des valeurs de capteurs clicks et autres variables Si l on en c
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