Fabriquer un robot SumoBot v4.0 (obsolète)

Comme lors d'un match de sumo classique, l'objectif est de faire sortir l'adversaire du ring. Deux robots s’affrontent sur un terrain circulaire noir bordé d’une ligne blanche : le “Dohyo”. Si le robot sort ou est poussé hors du terrain, il est considéré comme perdant de la manche. Le robot doit pousser son adversaire hors du terrain et ainsi être le dernier sur le terrain pour gagner la manche.

Plusieurs catégories de robots Sumos existent, et selon elles varient la taille et le poids maximal des robots, ainsi que la taille des arènes de combat. La catégorie la plus répandue aujourd'hui en France est celle des Mini-sumos, où le robot doit respecter certaines contraintes :

- Une base de taille maximale 10x10cm
- Un poids maximum de 500g
- Robot autonome (pas de télécommande)

Plusieurs compétitions de Mini-sumos existent aujourd'hui en France, dont la SUMOBOT, organisée en région parisienne par l'Association étudiante ESIEESPACE. Le règlement de cette compétition qui donne les conditions à respecter pour le robot est donné en pièce-jointe dans cette étape

En tant que membre de cette association, j'ai pu développer un robot sumo en kit pour celle-ci, afin de permettre à n'importe quel débutant de participer au tournoi et apprendre de façon ludique l'électronique et la programmation ! C'est ce kit, nommé robot SumoBot, que je vous apprend à fabriquer aujourd'hui ! C'est parti !

Le dessin du schéma électronique a été la première étape dans la conception du robot. Celui-ci permet de lier entre eux les différents composants électroniques du circuit du robot.

J'ai utilisé pour ce faire le logiciel EAGLE, logiciel de conception de circuits imprimés, en anglais "PCB" (printed circuit board). Ce logiciel a l'avantage d'être simple d'utilisation, et est très largement utilisé dans le monde ce qui permet de trouver beaucoup d'aide et des tutos sur internet. La version gratuite du logiciel permet de faire des circuits de 10*10cm maximum, ce qui est suffisant pour le circuit du robot Sumo.

Dans le schéma du circuit du robot, on distingue 5 blocs différents :

1. un bloc "alimentation"
2. un bloc "moteurs"
3. un bloc"capteurs"
4. un bloc "microcontrôleurs"
5. un bloc "connecteurs"

1. Le bloc "alimentation" :

La partie alimentation regroupe les composants électroniques chargés d'assurer l'alimentation du robot Sumo. Pour fonctionner, celui-ci doit être alimenté par une pile 9V ou une batterie équivalente. Cette tension nécessite d'être "adaptée" aux différents composants du robots, fonctionnant en 5V ou bien 3.3V, sous risque d'être endommagés si une tension supérieur leurs était appliquée. On utilise pour cela des régulateurs de tension linéaires : ces composants permettent d'abaisser une tension à un certain seuil, en transformant l'énergie en trop en chaleur. Il faut d'ailleurs faire attention à bien dimensionner le composant, qui pourrait devenir trop chaud et se détruire s'il était mal choisi pour l'énergie qu'il a à dissiper. 

Exemple : un LM7805 (78 signifie positif, et 05 signifie 5V en sortie), permet d'abaisser une tension de 9V à son entrée en une tension de 5V à sa sortie. La chute de 4V pour passer de 9V à 5V est convertie en chaleur.   

La partie alimentation utilise deux régulateurs linéaires : un régulateur +5V (LM7805) pour alimenter les capteurs, et un un régulateur +3.3V (LM7833) pour alimenter le microcontrôleur.

Des condensateurs sont ajoutés pour assurer un filtrage et un lissage des tensions d'alimentation, en prévention des pics de courant lors du fonctionnement du robot. 

La diode de puissance permet d'éviter un mauvais branchement de la pile/batterie en forçant le courant à aller dans un seul sens seulement.

L'interrupteur permet d'éteindre ou d'allumer le robot sans être contraint de déconnecter la batterie.

Enfin, une LED rouge témoin placée après l'interrupteur  permet de savoir si le robot est allumé ou non.

2. Le bloc "moteurs" :

La partie moteurs permet le contrôle des moteurs du robot par le microcontrôleur. Les moteurs sont des dispositifs électromécaniques nécessitant un courant important que le microcontrôleur ne peux pas fournir. On utilise pour cela un composant externe spécialisé, permettant de faire le lien entre le microcontrôleur et les moteurs : le L298.

Ce composant est appelé "double pont en H" et permet de piloter séparément deux moteurs à courant continu à partir de signaux envoyés par un microcontrôleur comme un MSP430 ou une Arduino : un signal logique de direction permet de définir la direction du moteur (avant/arrière), et un signal PWM permet de définir la vitesse de rotation du moteur. Et ce pour chacun des deux moteurs. 

Des diodes dîtes "diodes de roue libre" protègent le L298 des éventuels pics de courant lors du fonctionnement des moteurs.

Des connecteurs sont ajoutés pour y raccorder les moteurs. Les connecteurs sont doublés pour pouvoir ajouter plus de moteurs si on le souhaite, et ainsi doubler la puissance du robot.

3. Le blocs "capteurs" :

La partie capteurs rassemble tous les connecteurs et les composants permettant la mise en oeuvre des capteurs du robots. On y retrouve 3 capteurs en tout, de 2 types différents : 

- les capteurs infrarouges (x2), situés à gauche et à droite à l'avant du robot, lui permettent de détecter le blanc du noir, et ainsi détecter les bords du terrain. On utilise ici la propriété de blanc de réfléchir l'infrarouge, et du noir de l'absorber. Ces capteurs sont indispensables, sans quoi le robot Sumo sortirait tout seul du terrain et serait immédiatement perdant.

- le capteur ultrasons (x1), situé à l'avant du robot, lui permet de détecter un obstacle (mur, objet, robot adverse...) à plus d'un mètre de distance. Le capteur fonctionne en calculant le temps que met une salve d'ultrason à revenir pour en déduire une distance (distance = temps aller-retour / (2*vitesse de l'ultrason dans l'air)).

Des résistances sont ajoutées pour ajuster les courants et les tensions nécessaires aux capteurs.

4. Le bloc "microcontrôleur" :

Le microcontrôleur est le cerveau du robot Sumo. Toute son intelligence y est stockée sous forme d’un programme informatique, et lui permet de commander ses sorties (leds, moteurs, …) en fonction de ses entrées (capteurs, boutons poussoir, …). On programme l’intelligence du robot avec un code informatique (Arduino, C), que l’on téléverse depuis son PC sur le microcontrôleur du robot.

Le robot SumoBot a été conçu pour pouvoir fonctionner avec 2 types de microcontrôleurs : un LauchPad MSP430 ou une Arduino Nano. Chaque carte a ses propres avantages/inconvénients mais elles peuvent toutes deux êtres programmées en langage Arduino ou C.

5. Le bloc "connecteurs" :

La partie connecteurs regroupe des connecteurs associés aux entrées/sorties non utilisées de l'Arduino Nano et du LaunchPad MSP430. On peux par exemple y  connecter des capteurs supplémentaires, une carte Bluetooth ou des LEDs supplémentaires...

Une fois le schéma du circuit électronique réalisé sur EAGLE, on peut passer à l'étape du routage. Cette étape consiste à relier les composants tel qu'ils le sont dans le schéma, mais avec des pistes de cuivre tel qu'on veut le circuit réel.

On ne travaille plus avec les symboles des composants, mais avec leurs empreintes réelles, c'est à dire avec leurs dimensions réelles. 

Le PCB est réalisé sur un circuit 2 couches pour faciliter le routage des pistes de cuivre (face du dessus en bordeau, face du dessous en bleu). Les largeurs des pistes d cuivre sont soigneusement étudiées en fonction du courant qui les traverseront (un fort courant implique d'utiliser une piste plus large que pour le signal).

Enfin, des vias de dissipation thermique sont ajoutés, et les régulateurs de tension de la partie "alimentation" sont plaqués sur une grande bande de cuivre faisant office de dissipateur thermique.   

On observe sur les deux dernières images une simulation de ce que donnera le circuit une fois fabriqué.

Faites chauffer le fer à souder, c'est l'heure du soudage de la carte électronique !

Vous aurez besoin :
- x1 PCB
- x8 diodes

Lors de l'assemblage d'une carte électronique, il est conseillé de respecter un ordre dans les composants à souder, et de commencer à souder les plus petits et les moins sensibles en premier (résistances, diodes, ...). Le processus d'assemblage est ainsi plus pratique et plus agréable, et on ne risque pas d'endommager un composant sensible à force de chauffer le PCB avec son fer à souder.

Avec une pince plate, commencez par plier à 90° les pattes de chacune des 8 diodes afin de placer le corps de la diode plaqué sur la partie haute du PCB, avec les pattes dépassant de la partie basse du PCB. Vous pouvez légèrement écarter les pattes des diodes pour que celles-ci ne tombent pas lors du soudage. 

/!\ ATTENTION /!\ 

Les diodes ont un sens ! Une bague de couleur indique leur cathode, c'est à dire leur côté "-". Les positions des diodes doivent correspondre à celles dessinées sur le PCB (voir photos).

Une fois les diodes correctement placées, on peut les souder. 

Quelques astuces pour réaliser une soudure de pro :
- utiliser un fer bien nettoyé et adapté au travail que l'on souhaite faire
- utiliser un étain de qualité
- plaquer la pointe de son fer à souder sur la patte du composant ET sur la piste du circuit (attendre 2-3 secondes que les deux surfaces métalliques soient à la même température)
- approcher le fil d'étain et déposer une petite goutte de d'étain pour souder
- laisser refroidir la soudure sans souffler dessus 

Une fois les 16 soudures réalisées, coupez à raz les pattes des diodes avec une pince coupante.

Vous aurez besoin :
- x1 PCB
- x1 résistance 220 Ohms (rouge, rouge, marron)
- x2 résistances 1k Ohms (marron, noir, rouge)
- x3 résistances 4.7k Ohms (jaune, violet, rouge)
- x2 résistances 47k Ohms (jaune, violet, orange)

Les résistances ne sont pas polarisées, peut importe leur sens sur le PCB.

Chaque résistance possède un code d'anneau de couleur correspondant à une valeur. 

Avec une pince plate, commencez par plier à 90° les pattes de chacune des 8 résistances afin de placer le corps de la résistance plaqué sur la partie haute du PCB, avec les pattes dépassant de la partie basse du PCB. Vous pouvez légèrement écarter les pattes des résistances pour que celles-ci ne tombent pas lors du soudage. 

Soudez les résistances sur le PCB en respectent les indications de valeurs sur le PCB. 

Une fois les 16 soudures réalisées, coupez à raz les pattes des résistances avec une pince coupante.

Vous aurez besoin :
- x1 PCB
- x1 diode 1N5817

On remarque que la diode de puissance a une taille beaucoup plus imposante que les diodes soudées précédemment, à cause du fort courant qui peut la traverser. Plus un composant électronique doit être traversé par un courant important, plus sa taille sera importante.

/!\ ATTENTION /!\ 

Les diodes ont un sens ! Une bague de couleur indique leur cathode, c'est à dire leur côté "-". Les positions des diodes doivent correspondre à celles dessinées sur le PCB (voir photos).

Une fois les 2 soudures réalisées, coupez à raz les pattes des diodes avec une pince coupante.

Vous aurez besoin :
- x1 PCB
- x1 interrupteur

Avec une pince plate, commencez par plier à 90° les pattes de l'interrupteur.
Positionnez et soudez l'interrupteur à son emplacement avec la glissière orientée vers le haut.

Vous aurez besoin :
- x1 PCB
- x1 régulateur +5V (LM7805)
- x1 régulateur +3.3V (LM7833)

Avec une pince plate, commencez par plier à 90° les pattes des deux régulateurs de tension.

/!\ ATTENTION /!\ 

Les deux régulateurs se différencient uniquement par leurs références inscrites sur leur boitier. Identifiez les avant de les souder à leurs emplacements sur le PCB.
Les deux régulateurs doivent être bien plaqués sur la partie cuivrée pour optimiser la dissipation de chaleur.

Une fois les 6 soudures réalisées, coupez à raz les pattes des régulateurs avec une pince coupante.

Vous aurez besoin :
- x1 PCB
- x1 LED 5mm

/!\ ATTENTION /!\ 

LED signifie "Light Emetting Diode", en français "diode émettant de la lumière". Sa caractéristique de diode en fait un composant polarisé. La patte la plus longue est la patte "+".

Une fois les 2 soudures réalisées, coupez à raz les pattes de la LED avec une pince coupante.

Vous aurez besoin :
- x1 PCB
- x3 condensateurs céramiques 100n F

Positionnez et soudez les 3 condensateurs céramiques à leurs emplacements.

Une fois les 6 soudures réalisées, coupez à raz les pattes des condensateurs céramiques avec une pince coupante.

Vous aurez besoin :
- x1 PCB
- x2 condensateurs chimiques 330u F

/!\ ATTENTION /!\ 

Contrairement aux condensateurs céramiques soudés précédemment, les condensateurs chimiques sont polarisés. La patte la plus longue est la patte "+", et une bande sur leur boitier indique la patte "-".

Une fois les 4 soudures réalisées, coupez à raz les pattes des condensateurs chimiques avec une pince coupante.

Vous aurez besoin :
- x1 PCB
- x5 connecteurs mâles 2 pins
- x2 connecteurs mâles 10 pins

Séparez d'une barrette de connecteurs mâles x5 connecteurs mâles 2 pins et x2 connecteurs mâles 10 pins.

Soudez :
- une barrette de 2 pins à l'emplacement du connecteur de batterie "BAT"
- deux barrettes de 2 pins aux emplacements "MOTEUR_G"
- deux barrettes de 2 pins aux emplacements "MOTEUR_D"
- deux barrettes de 10 pins aux emplacements du LaunchPad MSP430

Les connecteurs doivent être soudés avec leur plus grande longueur de contact métallique dirigé vers le haut.

Vous aurez besoin :
- x1 PCB
- x1 pont en H (L298)

Positionnez et soudez le pont en H à son emplacement.

Vous aurez besoin :
- x1 PCB
- x1 capteur ultrason (HCSR04)

Positionnez le capteur ultrason dirigé vers l'extérieur et soudez-le à son emplacement nommé "HCSR04". Le capteur doit être bien plaqué sur le PCB.

Vous aurez besoin :
- x2 capteurs infrarouges (TCRT5000)
- x3 fils (rouge, jaune, noir)
- x1 gaine thermorétractable

A l'aide d'une pince plate, rassemblez les pattes des deux LEDs partageant le tension VCC, comme présenté sur le schéma de câblage du TCRT5000.

Avec une pince coupante, diminuez la longueur de chaque patte du capteur au deux tiers et soudez-y des fils en suivant le code couleur indiqué sur le schéma de câblage :
- VCC : rouge
- signal : jaune
- GND : noir

Protégez et renforcez chacune des soudures avec de la gaine thermorétractable avant de torsader les fils sur eux-mêmes. 

Répétez l'opération pour le deuxième capteur, et soudez l'ensemble sur le PCB aux emplacement marqués "TCRT_D" et "TCRT_G" en suivant le câblage de la photo.

Vous aurez besoin :
- x2 moteurs à courant continu
- x2 fils (rouge, noir)
- x1 gaine thermorétractable
- x2 connecteurs femelles 2 pins

Soudez aux bornes du moteurs deux fils d'une dizaine de centimètres. Protégez et renforcez chacune des soudures avec de la gaine thermorétractable avant de torsader les fils sur eux-mêmes. 

Soudez les extrémités des deux fils du moteur aux deux pins d'un connecteur femelle. Protégez et renforcez chacune des soudures avec de la gaine thermorétractable.

Répétez l'opération pour le deuxième moteur, afin d'obtenir deux moteurs câblés prêts à être branchés au circuit du robot.

Vous aurez besoin :
- x2 parties supérieures du châssis
- x4 entretoises 10mm
- x4 boulon M3 10mm

Utilisez les 4 boulons M3 et les 4 entretoises pour maintenir les deux parties supérieures plaquées l'une contre l'autre. 

Vous aurez besoin :
- x1 châssis assemblé
- x2 moteurs câblés
- x4 rilsans plastiques

Placez les moteurs dans les encoches du châssis, aux emplacements centraux ou arrière (au choix), avec leurs rotors dirigés vers l'extérieur.

Utilisez les rilsans plastiques pour maintenir fermement les moteurs au châssis. 

/!\ ATTENTION /!\ 

Si les moteurs sont mal positionnés, les rilsans risquent de frotter contre les engrenages du réducteur des moteurs. La position du moteur et le sens du rilsan corrects sont montrés sur la photo.

Vous aurez besoin :
- x1 châssis assemblé
- x1 PCB assemblé
- x4 écrous M3
- x4 rondelles M3

Placez le PCB assemblé sur le châssis du robot précédemment monté, capteur ultrason dirigé vers l'avant.

Utilisez les entretoises, les rondelles et les écrous M3 pour maintenir fermement le PCB au châssis.

Placez les capteurs infrarouges dans leurs encoches situées à l'avant gauche et droite du châssis.

Branchez les moteurs à leurs connecteurs respectifs "MOTEUR_G" et "MOTEUR_D" situés à l'arrière du PCB.

Vous aurez besoin :
- x1 châssis assemblé
- x2 roues silicone
- x2 moyeux imprimés en 3D

Insérez en force les moyeux imprimés en 3D dans les roues en silicone.

Insérez en force les roues sur les moteurs du robot.

Vous aurez besoin :
- x1 pièce inférieure châssis
- x1 pelle avant imprimée en 3D (2 pièces)
- x2 boulons M3 15mm
- x2 écrous M3

Utilisez une pince plate pour insérer les 2 écrous M3 dans leurs emplacements, sur la pièce supérieure de la pelle imprimée en 3D.

Placez les deux pièces de la pelle dans l'encoche à l'avant du châssis.

Utilisez les deux boulons M3 15mm et la pièce inférieure du châssis pour fixer la pelle à celui-ci.  

Le robot SumoBot peut aussi bien fonctionner avec une Arduino Nano ou un LaunchPad MSP430.

On s’intéressera principalement ici à la programmation du MSP430 car moins connue.

Le LaunchPad MSP430 se programme via ENERGIA, alternative à l'IDE Arduino, en langage Arduino. Le kit SumoBot est fourni avec un code de test en Arduino (en pièce jointe à cette étape) permettant de faire fonctionner immédiatement le robot !

N’hésitez pas à modifier ce code à votre guise et à vous l'approprier, pour développer une stratégie de déplacement différente et devenir imbattable !

Branchez le LaunchPad MSP430 ou la carte Arduino sur votre robot et branchez-y une pile/batterie.

Manipulez l'interrupteur pour allumer le robot et regardez le robot prendre vie ! 

Les leds s'allument, et après un simple appui sur le bouton poussoir du MSP430 le robot commence à se déplacer pour chercher un adversaire et le pousser hors du terrain, tel un vrai sumo !

Merci d'avoir suivi ce tuto, et n'hésitez pas à laisser vos impressions et vos questions en commentaires ! ;-)