Robot Suiveur — Navigation Autonome

Presentation du systeme

Le systeme est un robot mobile a 2 roues motrices equipe de 3 capteurs ultrasons HC-SR04 pour la detection d'obstacles et le suivi de cible. Le pilotage des moteurs s'effectue via un pont en H (L298N) commande par une carte Arduino. Un joystick permet le controle manuel, et une carrosserie concue en impression 3D assure l'esthetique et la protection des composants.

Le robot peut fonctionner en mode manuel (joystick) ou en mode autonome (suivi de cible par ultrasons), grace a un algorithme de decision base sur les distances mesurees par les 3 capteurs.

Contexte

Les vehicules autonomes, les drones de livraison et les robots d'entrepot utilisent des capteurs de distance pour naviguer dans leur environnement. Comprendre les principes de detection ultrasonore et de commande de moteurs est fondamental en robotique mobile.

Problematique

Comment rendre un robot capable de detecter et suivre une cible par ultrasons, avec une carrosserie aerodynamique concue et validee par simulation ?

Chaine fonctionnelle

La chaine d'information et d'energie complete du systeme :

3 Capteurs HC-SR04 → Arduino → Algorithme de decision → Pont en H (L298N) → 2 Moteurs CC → Deplacement

Materiel necessaire

Element	Qte	Remarque
Robot assemble (chassis + 2 moteurs CC)	1	Differentiel de vitesse
Carte Arduino Uno	1	+ cable USB
Pont en H (L298N)	1	Commande PWM des moteurs
Module ultrason HC-SR04	3	Gauche, centre, droite
Joystick analogique	1	2 axes (X, Y)
PC (Arduino IDE, SolidWorks)	1/binome
Imprimante 3D	1	Pour la carrosserie
Batterie	1	Alimentation moteurs

Guide seance par seance

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Comprendre le sujet

Decouverte du robot et principes de detection · 2h

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Decouverte du robot 30 min

Observer le chassis : identifier les 2 roues motrices et la roue folle
Comprendre le principe du differentiel de vitesse (tourner en variant la vitesse des roues)
Identifier les composants : moteurs CC, pont en H, Arduino, capteurs

Principe des ultrasons 30 min

Comprendre le principe du temps de vol : emission → reflexion → reception
Formule de calcul : d = t × 340 / 2 (vitesse du son, aller-retour)
Limites du capteur HC-SR04 : portee 2 cm a 4 m, cone de detection ~15°

Schema fonctionnel 30 min

Tracer la chaine d'information : 3 capteurs → Arduino → traitement → decision
Tracer la chaine d'energie : Batterie → Pont en H → PWM → 2 Moteurs
Comprendre le role du pont en H : sens de rotation et vitesse des moteurs

Repartition des taches 30 min

Former les equipes de 3-4 eleves
Repartir les roles : programmation, conception 3D, simulation, tests
Planifier les 12 seances avec jalons intermediaires

Livrable : Schema fonctionnel complet (chaines info + energie) + planning du projet

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Analyse du besoin

Fonctions du systeme et exigences · 2h

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Diagramme bete a cornes 20 min

A qui ? Utilisateur (operateur, technicien)
Sur quoi ? Une cible mobile dans l'environnement
Pour quoi ? Suivre automatiquement une cible par detection ultrasonore

Diagramme FAST 30 min

Detecter la cible → 3 capteurs HC-SR04 → Mesure temps de vol
Decider de la direction → Arduino → Algorithme de decision
Se deplacer → Pont en H → 2 Moteurs CC (differentiel)
Proteger les composants → Carrosserie 3D → Conception SolidWorks

Cahier des charges et exigences 40 min

Detection : plage de 10 cm a 2 m
Couverture angulaire : 120° (3 capteurs a -30°, 0°, +30°)
Temps de reaction : inferieur a 200 ms
Modes de fonctionnement : manuel (joystick) et autonome (suivi)

Tableau de decision 30 min

Definir les combinaisons : Capteur Gauche / Capteur Centre / Capteur Droite
Si Centre detecte seul → Avancer tout droit
Si Gauche detecte → Tourner a gauche (ralentir roue gauche)
Si Droite detecte → Tourner a droite (ralentir roue droite)
Si aucun capteur ne detecte → Stop (attente)
Construire le tableau complet des 8 combinaisons possibles

Livrable : Diagrammes complets + cahier des charges + tableau de decision

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Conception

Support capteurs et carrosserie sous SolidWorks · 2h

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Support des capteurs ultrasons 40 min

Concevoir un support orientant les 3 capteurs HC-SR04
Orientations : -30°, 0° et +30° pour couvrir 120° devant le robot
Prevoir les logements pour les modules (dimensions : 45 x 20 x 15 mm)
Fixation sur le chassis par vis ou clips

Conception de la carrosserie 50 min

Objectifs : esthetique, aerodynamique et protection des composants
Contraintes : acces aux branchements, aeration, poids minimal
Forme profilée pour reduire la trainee (inspiration vehicule autonome)
Epaisseurs minimales de 2 mm pour l'impression 3D

Export et preparation 30 min

Verifier l'assemblage complet (chassis + support + carrosserie)
Exporter les pieces en format STL pour impression 3D
Realiser la mise en plan cotee

Livrable : Modeles 3D (support capteurs + carrosserie) + fichiers STL + mise en plan

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Simulation

Aerodynamique de la carrosserie (FlowSimulation) · 2h

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Mise en place de la simulation 30 min

Ouvrir la carrosserie dans SolidWorks FlowSimulation
Definir les conditions aux limites : vitesse frontale du robot
Configurer le domaine de calcul et le maillage

Simulation aerodynamique 45 min

Lancer la simulation avec la vitesse nominale du robot
Visualiser les lignes de courant autour de la carrosserie
Relever la force de trainee et calculer le coefficient Cx
Identifier les zones de surpression et depression

Optimisation et comparaison 45 min

Modifier la forme de la carrosserie (arrondir les aretes, ajouter un becquet)
Relancer la simulation avec la forme optimisee
Comparer les Cx des deux versions (tableau comparatif)
Analyser l'impact de la forme sur la consommation d'energie

Livrable : Rapport de simulation avec lignes de courant, Cx et comparaison des formes

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Programmation

Joystick, ultrasons et algorithme de suivi · 2h

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Phase 1 : Pilotage par joystick 30 min

Lire les valeurs analogiques du joystick (analogRead sur X et Y)
Convertir en commande PWM pour les 2 moteurs via le pont en H
Gerer les 4 directions : avancer, reculer, tourner gauche, tourner droite
Validation par le professeur avant de passer a la phase suivante

Phase 2 : Lecture des capteurs ultrasons 30 min

Ecrire la fonction mesureDistance(trigPin, echoPin)
Envoyer une impulsion de 10 μs sur Trig, mesurer la duree de Echo
Calculer la distance : d = duree × 0.034 / 2 (en cm)
Tester chaque capteur individuellement (affichage Serial Monitor)

Phase 3 : Etalonnage 20 min

Placer un objet a des distances connues (10, 20, 50, 100, 150, 200 cm)
Relever les valeurs mesurees par chaque capteur
Construire un tableau de mesures et calculer l'ecart
Verifier la coherence des 3 capteurs entre eux

Phase 4 : Algorithme de suivi 40 min

Implementer le tableau de decision defini en seances 3-4
Pour chaque cycle : lire les 3 distances → comparer au seuil → decider
Programmer les actions : avancer, tourner gauche, tourner droite, stop
Ajouter un seuil de distance minimale (securite : arret si trop proche)

Livrable : Programme Arduino complet (mode joystick + mode suivi autonome) + tableau d'etalonnage

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Realisation & Tests

Montage final, tests de suivi et presentation · 2h

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Montage de la carrosserie 30 min

Assembler la carrosserie imprimee sur le chassis
Fixer le support des 3 capteurs ultrasons (orientations -30°, 0°, +30°)
Verifier le cablage complet et l'alimentation batterie
Controler que tous les composants sont accessibles pour la maintenance

Tests de suivi 45 min

Test 1 — Ligne droite : la cible avance, le robot suit
Test 2 — Virage : la cible se deplace lateralement, le robot tourne
Test 3 — Arret : la cible s'arrete, le robot s'arrete a distance de securite
Mesurer le temps de reaction reel et comparer au cahier des charges (<200 ms)

Test aerodynamique 15 min

Comparer le comportement du robot avec et sans carrosserie
Verifier la coherence avec les resultats de simulation (Cx)

Presentation orale 30 min

Chaque equipe presente son robot : conception, programmation, resultats
Demonstration en direct du mode suivi autonome
Analyse critique : points forts, limites, ameliorations possibles

Livrable : Robot fonctionnel + rapport de tests (suivi + aero) + presentation orale

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