Asservissement d'un gyropode

[carles33]

Bonjour à tous !

Je m'adresse à vous tous, fans de gyropode et d'éléments constitutifs de celui-ci.

D'abord je me présente, je m'appelle Charly, je suis actuellement en Terminale Scientifique option Sciences de l'Ingénieur et tout au long de cette année, j'ai pour projet d'étude un gyropode appelé Ewee, (faible) concurrent du Segway. C'est un projet d'étude évalué pour le Bac, et je compte sur vous pour répondre à quelques unes de mes questions sur le gyropode en général.

J'ai pour sujet précis : "Étude de la stabilité verticale (asservissement)".
J'ai aujourd'hui passé une revue de projet, c'est-à-dire une soutenance qui résume ce que j'ai fait depuis le début de l'année. Les professeurs n'hésitent pas à émettre leur point de vue et (surtout) à nous dire ce qu'il ne va pas.

Dans ma revue de projet, j'ai voulu expliquer le principe d'un asservissement à l'aide de ce schéma, tout en expliquant qu'un système asservi servait à corriger les perturbations contrairement à un système non asservis schématisé comme ceci où la consigne n'est jamais égale à la consigne à cause des perturbations.

Seulement, mon professeur m'a demandé d'appliquer ce schéma à l'Ewee (gyropode fonctionnant exactement sous le même principe que le Segway) et d'y mettre toutes les grandeurs physiques nécessaires. Il m'a également dit de faire attention puisqu'il y a 3 boucles d'asservissement dans un gyropode.

Là sont alors mes questions.

Combien de boucle d'asservissement y a-t-il ?
Une pour chaque capteur j'imagine, c'est-à-dire une pour l'accéléromètre, et l'autre pour le gyromètre. Mais la dernière, aucune idée.

Quelle est la consigne ?
Est-ce que c'est le fait de me pencher pour demander les différentes vitesses ?

Et dans ce cas, quelles sont les perturbations ?
Qu'est-ce qui pourrait faire modifier l'angle du manche autre que celui qui est sur le gyropode ?

Si vous avez des éléments de réponse, n'hésitez pas. Merci beaucoup !
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[Qristoff]

Bonsoir et bienvenue sur le Forum,
Le principe du Gyropode est trés compliquè et fait référence à de nombreuses notions de physique.
Il y a bien plus que trois boucles de régulations en réalité. Les capteurs gyro et accélero permettent de fournir les informations d'entrée au système (inclinaison, accéleration essentiellement). De plus, les boucles de régulations associées au pilotage sont sur deux axes (avance et rotation).
Enfin, les modes de fonctionnement dépendent de la posture du conducteur.
Par exemple, à l'arrêt c'est un asservisssement de position basé sur l'équilibre du pilote.
En roulage, c'est un asservissement vitesse suivant l'inclinaison du pilote en avant ou en arrière avec maitrise de l'équilibre.
Enfin, la consigne ordonnée par le pilote (avance, recule, accélère,..) est convertie en consigne de vitesse signée pour la boucle de régulation vitesse, puis convertie en courant pour la boucle de régulation moteur, tout cela en tenant compte de la boucle de régulation de direction.
Je trouve que vous vous étes attaqués à du costaud pour un niveau terminale !

[carles33]

Bonjour Qristoff et merci de ta réponse aussi rapide !

Beaucoup de choses intéressantes dans ton message, je comprends déjà mieux pourquoi je comprenais pas.
J'ignorais qu'il y avait autant de boucle d'asservissement ! Attention toutefois à utiliser les bons termes, un asservissement se différencie d'une régulation en cela que la consigne d'un asservissement change souvent (le gyropode où l'utilisateur est nécessairement invité à constamment réguler sa vitesse en fonction de son environnement) , par opposition à la consigne d'une régulation reste fixe (le chauffage d'une pièce où l'utilisateur demande 21°C tout le temps).

"les boucles de régulations associées au pilotage sont sur deux axes (avance et rotation)."

L'Ewee, le gyropode que j'étudie, a un joystick pour pouvoir tourner, ce qui facilite l'étude de l'asservissement. Sauf si le joystick est asservis, mais j'en doute !


"à l'arrêt c'est un asservissement de position basé sur l'équilibre du pilote."

Donc si on reprend ce schéma pas à pas, pour l'arrêt. La consigne c est de rester à l'équilibre (c'est à dire de ne pas avancer ou reculer, bref de rester à l'arrêt).
Mais comment fait le gyropode pour savoir qu'on est à l'arrêt ? Est-ce qu'il y a un programme qui dit qu'un moteur de fréquence inférieure à un petit nombre de tour par minute lui dit qu'on est à l'arrêt ?
La consigne serait donc de rester à l'arrêt, donc un angle d'inclinaison de 0° par rapport à la verticale. Le capteur va mesurer l'angle d'inclinaison réel du gyropode que va provoquer l'utilisateur (la perturbation). Il va faire la différence pour obtenir l'erreur ɛ que le correcteur va corriger, pour rester à l'arrêt. J'ai juste ? Donc le gyropode n'avancerait jamais (puisqu'il va sans arrêt corriger l'inclinaison du manche) ?

"En roulage, c'est un asservissement vitesse suivant l'inclinaison du pilote en avant ou en arrière avec maitrise de l'équilibre."

Comme dans les voitures quand je mets le régulateur de vitesse ? La perturbation serait une pente, par exemple, et mon gyropode devra tout faire pour conserver la vitesse que je souhaite avec l'inclinaison du manche précise que je lui ai demandé ?


"la consigne ordonnée par le pilote (avance, recule, accélère,..) est convertie en consigne de vitesse signée pour la boucle de régulation vitesse, puis convertie en courant pour la boucle de régulation moteur, tout cela en tenant compte de la boucle de régulation de direction."

Ne tenons plus compte de la boucle d'asservissement de direction (notre gyropode étant un Ewee, il n'y a qu'un joystick pour tourner).
Pareil, pas à pas, si on reprend ce schéma , la consigne est un angle d'inclinaison imposé par l'utilisateur (pour pouvoir avancé à la vitesse correspondante à cet angle) que l’accéléromètre va mesurer. Alors quelles seraient alors les perturbations ?

"puis convertie en courant pour la boucle de régulation moteur"

Courant ou tension ? Boucle de régulation moteur ? Quel serait le capteur associé à cette boucle ? Quelle serait la consigne et la perturbation ? Là je comprends pas cette boucle..


Je suis désolé pour toutes ces questions, j'essaie de comprendre. C'est un sujet vraiment intéressant, j'aime beaucoup. Costaud pour un niveau de terminale, certes, mais ça doit pouvoir être compréhensible puisque ça m'a été un sujet "semi-imposé (je l'ai choisi parmi 5 autres sujets sur le gyropode).

Merci beaucoup !

[arsene de gallium]

A l'arret, la consigne est variable: il ne faut surtout pas négliger l'équilibre du conducteur qui entre aussi dans la boucle et qui modifie cette consigne.
Un gyropode sans conducteur peut fonctionner aussi: il restera statique et ne bougera que très peu -> uniquement que part la précision de ses accéléromètre et du temps de réaction de la boucle -> vitesse de réaction de l'ensemble masse en mouvement et temps de traitement des informations.
Comme dit par Qristoff, il me semble que ce projet est hors de portée du niveau Terminale Scientifique: vous n'avez pas acquit, ou étudié, les calculs complexes des systèmes instables.
Il faut prendre en compte, et c'est primordial, les temps de transfert, et les algorithmes de calcul.
C'est un beau sujet de conception avec non seulement la régulation mais aussi tous les problèmes de mécanique associés.
Une régulation, comme celle donnée dans ton schéma, ne suffit pas.
On sait faire ce genre d'engin même en Lego malgré les jeux important et les frottements induits.
L'important est d’analyser ceux ci: paramètre perturbation comme dans tout chaine de régulation.
Si tu peux modéliser ceux-ci, alors c'est gagné: il suffira de programmer ces informations et de corriger les actions en conséquence.
Très délicat sans essais.

[A voir en vidéo sur Futura]

[carles33]

Bonjour arsene de gallium et merci de vous joindre à nous !

"A l'arret, la consigne est variable: il ne faut surtout pas négliger l'équilibre du conducteur qui entre aussi dans la boucle et qui modifie cette consigne."

Si je comprends bien, la consigne d'asservissement à l'arrêt est un angle de 0° par rapport à la verticale. Reste encore à savoir comment le gyropode fait pour savoir s'il est à l'arrêt ou non ?


"Un gyropode sans conducteur peut fonctionner aussi: il restera statique et ne bougera que très peu -> uniquement que part la précision de ses accéléromètre et du temps de réaction de la boucle -> vitesse de réaction de l'ensemble masse en mouvement et temps de traitement des informations."

En effet, un gyropode sans conducteur peut aussi fonctionner. Donc les perturbations de l'asservissement à l'arrêt serait la masse de l'ensemble ou bien même le vent qui modifieraient l'équilibre du gyropode.


"Il faut prendre en compte, et c'est primordial, les temps de transfert, et les algorithmes de calcul."

En effet, j'ai appris qu'un bon asservissement se caractérisé par une bonne stabilité, une bonne précision et une bonne rapidité. Mais en fait, j'essaie simplement de comprendre combien de boucle d'asservissement faudrait-il pour faire maintenir le gyropode en équilibre et pour le faire avancer, ainsi que les grandeurs physiques qui accompagne chaque boucle.


"Une régulation, comme celle donnée dans ton schéma, ne suffit pas."

Que manque-t-il ? Qu'est-ce qui faudrait ajouter ou changer ?


Merci beaucoup en tout cas à vous deux ! Vous m'aidez bien !