Performances hautement acrobatiques

À l’origine d’une innovation, on trouve souvent le goût du jeu. En termes techniques, cela signifie que si un projet est réalisable, cela ne veut pas dire que l’on peut en faire un produit fini, mais il permet d’acquérir des connaissances de base pour de futures applications. C’est le cas de ce véhicule qui se déplace sur une sphère et qui reste en équilibre de manière autonome.

Ce projet montre les possibilités qu’offre la mécatronique moderne alliant la technologie des capteurs et des actionneurs, du traitement rapide des données pour former une unité fonctionnelle. Les micromoteurs à commutation électronique sont très dynamiques et démontrent également dans ce cas leur potentiel en tant qu’interface assurant le lien entre électronique et mécanique.

Les nouveaux projets permettent d‘ envisager sur l’avenir et sont source de motivation. C’est particulièrement vrai dans la mécatronique qui regroupe trois domaines à forte croissance source de toujours plus d‘innovations. La société GIGATRONIK Stuttgart GmbH, PME spécialisée dans l’électronique automobile et les technologies de l’information, a permis à un étudiant de réaliser son projet de fin d’études consacré à un démonstrateur mécatronique de démonstration pour les salons et journées de recrutement. Un contrôle des positions complexe associé à la transmission rapide des commandes nécessaires, représente non seulement un défi pour les concepteurs, mais aussi pour les composants utilisés.

Il faut de très bons réflexes

Comme l’homme debout sur ses deux jambes, un véhicule se déplaçant sur une sphère est, lui aussi, en équilibre instable. Il faut en permanence rectifier sa position pour pouvoir la maintenir dans l’espace. Ce réajustement doit se faire très rapidement, comme par réflexe, car plus le temps de réaction est court, plus le nombre de corrections à apporter est faible et meilleure est la stabilité de l’appareil. Dans le cas présent, un véhicule équipé d’un système électronique, de moteurs électriques et d’une batterie tient en équilibre sur une sphère. Ce véhicule fait 30 x 30 x 15 cm et pèse 2,5 kg environ. Comme le centre de gravité du véhicule se déplace en permanence, la sphère roule légèrement sur le support. Tel un funambule, le véhicule doit alors compenser en permanence les mouvements de la sphère. Un capteur inertiel est intégré sur le circuit de l’unité de commande du prototype GIGABOX gate pour mesurer l’accélération, les taux de rotation et la force du champ magnétique terrestre.
Le réglage est assuré par Simulink, et converti en code C par génération d’autocode via une cible Simulink puis intégré dans l’unité de commande comme tâche en temps réel. Le logiciel utilise les valeurs mesurées pour calculer l’état réel du système global.
Le système est considéré dans ce cas comme un balancier inverse en trois dimensions. Les angles de tangage et de roulis sont déter-minés par un système d‘acquisition de la position. Deux régulateurs PD fournissent les impulsions nécessaires à l’entraînement stabilisateur. Ces impulsions permettent de gérer les trois roues motrices omnidirec-tionnelles disposées en cercle et chacune tournée de 120° par rapport à la surface de la sphère.

Hautement dynamique et précis

Seules des unités motrices très compactes conviennent pour l’entraînement des roues. La dynamique nécessaire limite les possibilités quant au choix des moteurs. Les servomoteurs C.C. sans balais d’un diamètre de 20 cm avec codeur intégré sont idéalement adaptés. Un réducteur de même diamètre avec un rapport de 14 : 1 vient compléter l’ensemble d’entraînement. Le microentraînement de 20 watts peut ainsi rapidement fournir jusqu’à 0,7 Nm lors du contrôle de position. Une démultiplication par courroie dentée permet d’augmenter encore davantage le couple disponible aux roues. Les rendements élevés du moteur (70 %) et du réducteur (80 %) permettent d’utiliser de plus petites batteries.
La masse plus faible permet, par contre, au véhicule de réagir plus rapidement aux commandes de positionnement. Les trois unités d’entraînement fonctionnent en continu et indépendamment les unes des autres pour transformer les commandes en propulsion mécanique.
L‘autre avantage permettant des corrections rapides et dynamiques réside dans l’aptitude des micromoteurs en général, et des versions à commutation électronique en particulier, à supporter d’importantes surcharges sur une courte durée. Grâce à son faible volume, la surface dégageant de la chaleur est comparativement élevée, la capacité thermique des matériaux fournit un amortisseur de chaleur perdue supplé-mentaire. Le degré de rendement élevé, donc, la puissance dissipée comparativement faible, permet ainsi une restitution d’énergie nettement supérieure à la puissance nominale. Cette caractéristique de puissance, associée aux masses déplacées réduites, prédestine les moteurs sans balais à des tâches hautement dynamiques, surtout dans les cas de faibles encombrements et/ou de masses très peu inertes, par exemple, en bout de flèche d‘ un bras de robots.
Même des tâches d’apparence ludique peuvent contribuer à résoudre des problèmes. Les petits prototypes exécutant des tâches complexes en temps réel, comme ici le contrepoids actif sur une sphère, sont des objets de recherches peu coûteux. Les microentraînements avec modules annexes tels que des codeurs, réducteurs ou aussi contrôleurs intégrés, permettent d’une part une mise en œuvre économique pour réaliser des expérimentations et conviennent d’autre part à des applications professionnelles. La possibilité de les combiner à volonté en pouvant les adapter à chaque cas particulier permet de trouver une solution sur mesure à chaque problème d’entraînement.

Un moteur sans balais, avec codeur et réducteur, forme le cœur du système d‘ entraînement.