Version du 18 octobre 2019 à 13:49

Description du projet

Projet initié pendant le fabrikarium arianegroup aux Mureaux du 16 au 18 octobre 2019.

Ce projet a pour objectif de créer une "canne blanche" augmentée à destination des déficient·e·s visuels.

La wi-canne renseigne sur les reliefs du sol et l'environnement proche pour faciliter les déplacements. Un signal sonore ou haptique (moteur vibrant) indique les obstacles perçus par les capteurs embarqués.

Ce projet fait suite au projet de gant sonar

Analyse de l'existant

Systèmes existants :

Tom Pouce
Minitact

Une description précise de ces systèmes est donnée dans la thèse de doctorat de Joselin Villanueva "Contribution à la télémétrie optique active pour l'aide aux déplacements des non-voyants (pdf)" (2011)

Equipe (Porteur de projet et contributeurs)

Porteur de projet : François
Contribut/eur/rice/s : Aymeric (ArianeGroup), Bruno (ArianeGroup), Lorraine (ArianeGroup), Océane (ArianeGroup), Olivier (ArianeGroup), Robin (ArianeGroup), Yves (My Human Kit)
Fabmanageuse référente : Lucie
Responsable de documentation : Pierre

Cahier des charges

anticiper le relief au sol dans un intervalle de + ou - 10 cm
retour d'informations par vibreur ou message sonore
coût de fabrication inférieur à 300 euros
autonomie de 6 heures
objet équilibré
poids maximum : 300g
recharge par port USB intégrée dans le manche
ambidextre : symétrique pour utilisation de la main gauche ou de la main droite
boîtier résistant à la pluie et au soleil
indications en relief sur le boîtier
objet autonome, fonctionne sans canne
indication de l'état de charge de la batterie par un appui bouton

Matériel et outils nécessaires

imprimante 3D
circuits électroniques et capteurs

Conception du boîtier

C'est un processus itératif! Plusieurs hypothèses sont explorées.

Electronique

Pour le premier prototype, 2 architectures sont envisagées :

carte unique intégrée dans une poignée
système sans-fil à 2 cartes, l'une chargée de la détection (capteurs et traitement des données) qui communique sans-fil avec une seconde dédiée aux signaux d'avertissement sonores et vibrants.

Version à carte unique

Version sans fil à 2 cartes

Premier prototype

Basé sur l'architecture à carte unique

Composants nécessaires

Ex.	Composant	Type
1	arduino nano	carte à microcontrôleur
1	module buzzer	buzzer piezo
1	module moteur	double pont en H L9110S
2	moteur vibrant
1	écran LCD 2 lignes I2C
1	ADXL335	accéléromètre 3 axes analogique
3	module CJVL53L0XV2	capteur ToF STmicroelectronics VL53L0X
1	module SRF05	capteur de distance à ultrason

/!\ le capteur ultrason est cablé pour fonctionner avec une seule broche, utilisée alternativement pour envoyer l'impulsion ultrasonique et pour la recevoir. Cette alternance est programmée dans le code.

/!\ L'accéléromètre représenté sur le circuit dans un bloc rouge n'est pas utilisé dans ce prototype. L'utilisa/teur/trice étant en mouvement, les données sont difficiles à interpréter.

Capteurs testés

Les capteurs de distance sont basés sur plusieurs principes techniques : Lidar, Ultrason, LED ou VCSEL (diodes laser), ... Voir lexique en bas de cette page

Capteur	Type de détection	Champ de vue	intervalle de distance	fréquence	consommation
VL53L0X	VCSEL (940 nm)	25°	5 à 120 cm	?	20 mA
VL53L1X	VCSEL (940nm)	27°	4 à 400 cm	50 Hz	20 mA ?
TFMini	led infrarouge (850nm)	2,3°	30 à 1200 cm	100 Hz	120 mA max
TFMini plus	led infrarouge (850 nm)	3,6°	10 à 1200 cm	1000 Hz max.	?
HC-SR05	ultrason	15°	2 à 450 cm	40 Hz max	10 à 40 mA
SRF05	ultrason 40 kHz	30°	4 à 400 cm	20 Hz max	?

(Données assemblées à partir de sources diverses, à prendre avec des pincettes!)

Sur la comparaison des caractéristiques de différents types de capteurs de distance, voir aussi https://www.sparkfun.com/distance_sensor_comparison_guide

Caractéristiques de différents transducteurs à ultrasons : https://www.robot-electronics.co.uk/htm/sonar_faq.htm

Carte CJVL53L0XV2

carte de développement pour le capteur VL53L0X

Carte de développement pour le capteur ToF miniature VL53L0X de STMicroelectronics. Ce capteur fonctionne dans un intervalle de 5 à 120 cm en utilisant un laser infrarouge dans un champ de vue (FoV) de 25°. La communication se fait par le protocole I2C.

documentation

datasheet du circuit intégré VL53L0X

ressources

https://www.st.com/en/imaging-and-photonics-solutions/vl53l0x.html

Carte VL53L1X-SATEL

carte de développement pour le capteur VL53L1X-SATEL

Carte de développement pour le capteur miniature ToF VL53L1X. Ce capteur permet de réaliser des mesures de distance entre 4 et 400 cm en utilisant un laser infrarouge à une fréquence de 50Hz, dans un champ de vue (FOV) de 27°. Ce capteur se base sur la technologie FlightSense, brevetée par ST Microelectronics.

Le brochage n'est pas clairement indiqué sur la carte, le voici :

documentation

ressources

Capteur accéléromètre ADXL335 (Adafruit)

Accéléromètre trois-axes basé sur la puce ADXL335 d'Analog Devices. Ce capteur renvoie 3 mesures analogiques de la gravité sur les axes X, Y, Z. Le module utilisé ici est concçu et fabriqué par Adafruit, il permet de récupérer les mesures à une fréquence de 50 Hz.

Ce capteur doit être calibré si on veut obtenir des mesures précises.

documentation

datasheet

ressources

Capteur Benewake TFmini

Il s'agit d'un capteur ToF vendu sous l'appellation LiDAR, toutefois il utilise plutôt une diode LED infrarouge et une optique adéquate. Ce capteur permet de mesurer une distance comprise entre 30 centimètres et 12 mètres, à une fréquence de 100Hz, soit 100 mesures par seconde. Il fonctionne à une tension de 5v et communique par une interface série (UART).

zone de détection

1 : zone aveugle du capteur, entre 0 et 30cm, la distance mesurée n'est pas fiable
2 : zone de détection en conditions extrêmes (lumière exterieure très forte > 100 kLux et réflexion sur une surface très faiblement réfléchissante)
3 : zone de détection en lumière extérieure (autour de 70 kLux)
4 : zone de détection en intérieur ou par faible lumière extérieure
5 : distance latérale dans laquelle la mesure peut être considérée comme fiable

documentation

ressources externes

Capteur Benewake TFmini Plus

Capteur conçu sur le même principe que le TFmini. Il s'en différencie sur plusieurs points :

boîtier IP65, résistant à l'eau et à la poussière
suffisamment résistant aux vibrations pour être installé sur un drone
trajet de lumière optimisé et algorithme différent pour minimiser l'influence du milieu lumineux, cf. zone de détection ci-dessous
fréquence des mesures ajustable jusqu'à 1000 Hz

Ce capteur est conçu à partir du circuit intégré OPT3101 de Texas Instruments.

zone de détection

1 : zone aveugle du capteur entre 0 et 10 cm
2 : zone de détection d'un objet très faiblement réfléchissant (reflectivité de 10%)
3 : zone de détection de d'un objet réfléchissant (réflectivité de 90%)

documentation

Ressources

fabricant : Benewake
capteur TI OPT3101 : http://www.ti.com/tool/BW-3P-TFMINI-PLUS + http://www.ti.com/product/OPT3101

Capteur de distance à ultrason HC-SR05 (Velleman VMA306)

Ce capteur permet de mesurer la distance avec un obstacle en mesurant le temps de rebond d'une impulsion ultrasonique. Il est capable de détecter un obstacle à une distance maximum de 4,5m.

zone de détection

Ce schéma correspond au module HC-SR04 qui utilise le même type de transducteur ultrasonique.

documentation

Capteur de distance à ultrason SRF05

Ce capteur permet de mesurer la distance avec un obstacle en mesurant le temps de rebond d'une impulsion ultrasonique à 40 kHz. Il est basé sur le transducteur ultrasonique T400S16

zone de détection

D'après la datasheet du fabricant du transducteur.

documentation

Journal du Fabrikarium ArianeGroup

jour 1

Dans un premier temps, faire connaissance! Définir les besoins et les replacer dans un contexte existant. Puis l'équipe se concentre en deux pôles : test de différents types de capteurs pour le groupe électronique et pour le groupe design : recherches pour l'ergonomie et la conception de l'objet.

En fin de journée, le groupe ergonomie a conçu une poignée intégrant batteries et circuit de charge ("poignée rechargeable"). Sur le plan électronique deux architectures électroniques sont posées comme des pistes possibles et un ensemble conséquent de capteurs a pu être testé.

jour 2

"Copier c'est gagné" dixit Olivier, l'équipe décide d'intégrer une powerbank dans la poignée pour résoudre la partie alimentation : ce type de batterie intègre un régulateur de charge, alimente en 5V un port USB, et surtout est très simple à se procurer, banco!

Le groupe électronique poursuit les recherches sur les capteurs par des tests sur les capteurs VCSEL L'après-midi est consacrée à la conception et l'assemblage du circuit du premier prototype

Le groupe design définit l'ergonomie de la poignée et poursuit la recherche sur les matériaux et le design. Le choix des matériaux du prototype est contraint par le temps limité... En fin de journée, les impressions 3D sont lancées pour sortir pendant le nuit

jour 3

"il faut se hâter lentement" dixit Yves, aux prises avec le traitement des données de capteur

Le groupe design découvre le résultat des 3 impressions lancées pendant la nuit : 2 sont parfaitement imprimées, la 3e, un grip de poignée en filament flex n'a pas correctement été imprimé. Il reste peu de temps et la fabrication du boîtier qui accueillera le système électronique est lancée!

Au plan électronique, un premier prototype du circuit est achevé et l'équipe s'attelle à peaufiner le code du programme arduino.

Annexe : circuits de test

distance et mouvement

Un circuit test est réalisé pour tester différents composants, il intègre un accéléromètre analogique, un capteur de distance TFmini et un afficheur LCD pour le retour d'informations.

// Télémètre Lidar TFmini avec CARTE ARDUINO MEGA 2560
// YLC 16/10/2019
/*---------------------------------------------------
 Pour montage sur une carte avec 1 seul port série (UNO, NANO) definir un port série logiciel pour le lidar :
 (NB : ralentit les mesures car cela prend des temps de cycle du contrôleur)
   #include<SoftwareSerial.h>   // définit un port série logiciel
   SoftwareSerial Serial1(2,3); // nomme le port logiciel "Serial1" (pin2 = RX, pin3 = TX)
 Sur carte Arduino MEGA utiliser directement les ports série Serial et Serial1
 brochages MEGA :    18 TX du lidar   19 RX du lidar    20 SDA du LCD   21 SCL du LCD
 Format des données reçues du lidar (9 octets) :  (le code d'en-tête est répété dans les 2 premiers octets)
 les valeurs distance et force sont fournies sur 2 octets en little endian (poids faible en premier)
  octet0=0x59    octet1=0x59    octet2=Dist_faible    octet3=Dist_fort     octet4=force_faible
  octet5=force_fort    octet6=mode     octet7=0x00      octet8=somme de contrôle 
  -----------------------------------------------------*/    

#include <Wire.h>
#include <math.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>


int       i      = 0;      // index sur la table de stockage
const int entete = 0x59;   // Identifiant du flux de données
const int x_out  = A1;     /* connect x_out of module to A1 of UNO board */
const int y_out  = A2;     /* connect y_out of module to A2 of UNO board */
const int z_out  = A3;     /* connect z_out of module to A3 of UNO board */

int data[9];    // Table de stockage des données fournies par le lidar
int dist;       // valeur de la distance mesurée
int force;      // force du signal reçu
int ctrol;      // somme de controle des données reçues (checksum)
int corr = 5;   // valeur de correction de la mesure lue en cm
int x_adc_value;
int y_adc_value;
int z_adc_value; 

double x_g_value;
double y_g_value;
double z_g_value;
double roll, pitch, yaw;

LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f,20,4);   // déclaration afficheur LCD série I2C

#define TRACES 1     // 1 pour activer trace sur port série vers ordinateur, 0 pour la désactiver

void setup() {
  
  #if TRACES                 // si mise au point activée
    Serial.begin(115200);    // vitesse du port de communication avec l'ordinateur 
  #endif  
  Serial1.begin(115200);     // vitesse du port de communication avec le LiDAR
  lcd.init();                // initialize the lcd 
  // Print a message to the LCD.
  lcd.backlight();
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("Hello, world!");

}

void loop() {

 // Accelerometre
 x_adc_value = analogRead(x_out); /* Digital value of voltage on x_out pin */ 
 y_adc_value = analogRead(y_out); /* Digital value of voltage on y_out pin */ 
 z_adc_value = analogRead(z_out); /* Digital value of voltage on z_out pin */
 x_g_value   = ( ( ( (double)(x_adc_value * 5)/1024) - 1.65 ) / 0.330 ); /* Acceleration in x-direction in g units */ 
 y_g_value   = ( ( ( (double)(y_adc_value * 5)/1024) - 1.65 ) / 0.330 ); /* Acceleration in y-direction in g units */ 
 z_g_value   = ( ( ( (double)(z_adc_value * 5)/1024) - 1.80 ) / 0.330 ); /* Acceleration in z-direction in g units */ 
 roll        = ( ( (atan2(y_g_value,z_g_value) * 180) / 3.14 ) + 180 ); 
 pitch       = ( ( (atan2(z_g_value,x_g_value) * 180) / 3.14 ) + 180 );

 // Affichage LCD valeurc accelerometre
 lcd.setCursor(0,3);
 lcd.print(roll);
 lcd.print(" ");
 lcd.print(pitch);
 
 if (Serial1.available()) {
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("OK     "); // test si données fournies par le lidar

  // Lecture entete  1
  data[0] = Serial1.read();
  if (data[0] == entete) {
    data[1] = Serial1.read();
    if (data[1] == entete) {   
      i=1;
      for(i = 2; i < 9; i++) {      // on lit les 7 octets suivants
        data[i] = Serial1.read();   // on stocke les données lues dans un tableau
      }
      ctrol = data[0]+data[1]+data[2]+data[3]+data[4]+data[5]+data[6]+data[7];
      if(data[8] == (ctrol&0xff)) { 
        dist  = data[2]+data[3]*256; 
        force = data[4]+data[5]*256;
        if (dist < 1e-5)   {
          dist = 0.0;
        }
        lcd.setCursor(7, 0);     // affichage mesures sur l'écran LCD                              
        lcd.print(dist);               
        lcd.print(" cm     ");
        lcd.setCursor(7, 1);
        lcd.print(force);
        lcd.print("       ");
      }
    }
  }
  else {
  }
 }
 else  {
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print("ERREUR"); // test si données fournies par le lidar
 }
}

Annexe : lexique

FoV (Field of View) : champ de vue, angle de sensibilité d'un capteur optique. cf. https://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_de_vue

laser (light amplification by stimulated emission of radiation) : « amplification de la lumière par émission stimulée de radiation » rayonnement lumineux spatialement et temporellement cohérent basé sur l'effet laser. cf. https://fr.wikipedia.org/wiki/Laser

LiDAR (Light Detection and Ranging) : procédé d'estimation de la distance à l'aide d'un faisceau lumineux, en général produit par un laser. cf. https://fr.wikipedia.org/wiki/Lidar

lux unité de mesure de l'éclairement lumineux. cf. https://fr.wikipedia.org/wiki/Lux_(unit%C3%A9)

ToF (Time of Flight) : Mesure du temps nécessaire pour parcourir une distance. cf. https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight

UART (Universal asynchronous receiver-transmitter) : interface hardware de communication asynchrone, dont le type de données et la vitesse de transmission peut-être définie. cf. https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_asynchronous_receiver-transmitter

VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) : à prononcer vixel! diode laser à cavité verticale émettant par la surface. cf. https://fr.wikipedia.org/wiki/Diode_laser_%C3%A0_cavit%C3%A9_verticale_%C3%A9mettant_par_la_surface

@@ Ligne 22 : / Ligne 22 : @@
 * Porteur de projet : François
-* Contribut/eur/rice/s : Aymeric (ArianeGroup), Bruno (ArianeGroup), Laurraine (ArianeGroup), Océane (ArianeGroup), Olivier (ArianeGroup), Robin (ArianeGroup), Yves (My Human Kit)
+* Contribut/eur/rice/s : Aymeric (ArianeGroup), Bruno (ArianeGroup), Lorraine (ArianeGroup), Océane (ArianeGroup), Olivier (ArianeGroup), Robin (ArianeGroup), Yves (My Human Kit)
 * Fabmanageuse référente : Lucie
 * Responsable de documentation : Pierre

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Analyse de l'existant

Equipe (Porteur de projet et contributeurs)

Cahier des charges

Matériel et outils nécessaires

Conception du boîtier

Electronique

Version à carte unique

Version sans fil à 2 cartes

Premier prototype

Composants nécessaires

Capteurs testés

Carte CJVL53L0XV2

documentation

ressources

Carte VL53L1X-SATEL

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ressources

Capteur accéléromètre ADXL335 (Adafruit)

documentation

ressources

Capteur Benewake TFmini

zone de détection

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ressources externes

Capteur Benewake TFmini Plus

zone de détection

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Ressources

Capteur de distance à ultrason HC-SR05 (Velleman VMA306)

zone de détection

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Capteur de distance à ultrason SRF05

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