Choix techniques

Dans cette partie, nous présentons les différents choix techniques que nous avons effectué. Nous parlerons dans un premier temps des choix concernant la gestion des ouvertures et du coffret, puis, de ceux concernant la partie optique du projet.

Choix de l'ouverture

Comme décrit dans le cahier des charges, il est nécessaire de pouvoir gérer de manière automatique la taille des tâches lumineuses projetées par la lanterne.
Nous avons explorer trois solutions :
  • Le diaphragme motorisé
  • Le servomoteur + disque perforé
  • Le moteur pas à pas + disque perforé

Le diaphragme motorisé

Un diaphragme simple à une ouverture fixe et ne peut donc pas être utilisé pour notre projet. Le diaphragme à iris quant à lui est à ouverture réglable entre son diamètre maximal et, le plus souvent, une obturation totale.


Figure 2 : Diaphragme à iris

La précision de la taille et la forme de l'ouverture générer par le diaphragme dépend du nombre d'iris ( petite lamelle ) qu'il comporte. Plus le nombre d'iris est important plus la forme sera circulaire et plus la taille de l'ouverture pourra être précise.
Cependant, cette technologie ne satisfait pas les contraintes de vitesse du projet. De plus son prix est élevé allant de 100€ à plus de 800€. Nous n'avons donc pas retenu cette solution.

Le servomoteur + disque perforé

Le servomoteur est un moteur qui intègre dans un même boitier le moteur et l’électronique capable de le commander. L'avantage du servomoteur est que l'on connait sa position à tout instant sans capteur externe. Il nous suffit d'envoyer une commande disant de se positionner à 90° par rapport à son zéro de référence pour qu'il le fasse peu importe sa position initiale. Autrement dit, Le servomoteur ne nécessite aucun ajout de matériel pour l'asservir en position.

Le moteur pas à pas + disque perforé

Le moteur pas à pas est très proche du servomoteur. Cependant, la commande d'un moteur pas à pas est plus complexe. Pour la simplifiée et pouvoir asservir la position du moteur, nous avons utilisé un driver pour moteur pas à pas ainsi qu'une fourche optique qui permet d'initialiser la position du disque grâce à une fine encoche réalisé sur le bord extérieur de celui-ci. Nous avons néanmoins retenu cette solution car malgré une complexité légèrement supérieure au servomoteur le moteur pas à pas présente d'autres avantages. Notamment celui de la robustesse et de la longévité.
Voici le driver et le moteur utilisés pour le projet :

Pour pouvoir maintenir le disque perpendiculaire au flux lumineux et ainsi laisser passer le maximum de flux, il a fallu réaliser une pièce qui vient se fixer sur l'arbre moteur. Une fois cette pièce fixée à l'arbre moteur, on viens fixée la roue sur celle-ci.
Voici les plan de la pièce de maintien et du disque :

Présentation du fonctionnement de la solution retenue

Pour faciliter la commande du moteur pas à pas nous avons choisi d’utiliser un driver. Ce driver le A4988 permet de commander le sens de rotation et le fonctionnement à pas entier, demi-pas, quart de pas, huitième de pas et seizième de pas en fonction du niveau logique qui lui sont transmis par un microcontrôleur.
Voici le schéma de câblage entre le microcontrôleur, le driver et le moteur :

Les pins MS1, MS2, MS3 permettent de choisir le fonctionnement celon le tableau ci-dessous :

Pour le projet, nous utilisons la configuration du 1/16 de pas pour avoir la plus grande précision.
La pin DIR permet de choisir le sens de direction.
La pin STEP : Lorsque cette pin détecte un front montant elle fait avancer le moteur d’un pas.
Les pins 2B, 2A, 1B, 1A alimente les deux phases du moteur. Une phase doit être branche sur 2A et 2B, l’autre sur 1A et 1B.
Vmot est l’alimentation nécessaire au moteur ici 12V.
Sur le schéma le 5V du driver proviens du microcontrôleur. Cependant il est possible d’auto-alimenter le driver car il possède une sortie 5V réguler qui est fournie à partir de l’alimentation moteur.

Grâce au driver nous arrivons à faire tourner le disque que comporte les différentes ouvertures. Il faut maintenant l’asservir en position.
Pour cela, j’ai réalisé une petite encoche sur le bord du disque pour qu’une fourche optique puisse la détectée et ainsi définir une position de référence.

Câblage de la fourche optique

Avec le montage réaliser La fourche renvoi un ``1’’ logique s’il y a un obstacle entre l’émetteur et le récepteur.
Concrètement, pour l’initialisation je fais tourner le disque jusqu’à ce que la fourche optique détecte l’encoche. Une fois l’encoche détectée le moteur arrête de tourner : le disque est en position initiale.
Pour le fonctionnement pendant l’utilisation, une commande entre 1 et 6 est envoyée via un port série. Ensuite dans le programme on compte le nombre de pas effectués et on le compare à chaque instant à un nombre de pas prédéfini. Ce nombre qui correspond à la quantité de pas nécessaire pour atteindre la position voulue depuis la position initiale. Si le disque n’est pas en position initiale, le moteur fait tourner le disque jusqu’à ce que la fourche optique détecte la fente, puis le moteur continue de tourner pour arriver la position demander.
Attention, le nombre de pas prédéfini dépend de la résolution des pas.
Sachant qu’un pas entier est égal à 1.8°. Si on veut tourner de 45°, il faut faire 25 pas. Alors que si on utilise les seizièmes de pas. C’est-à-dire qu’un pas égal 0.1125°, il faudra faire 400 pas.

le coffret

Pour réaliser le coffret qui contient l'ensemble des éléments de la lanterne, nous avons choisi un coffret de taille prédéfini. Plusieurs raisons expliquent ce choix. Tout d'abord étant donné que nous devions réaliser un prototype nous ne voulions pas réaliser un coffret sur-mesure pour pouvoir effectuer des modifications par la suite. Mais aussi par manque de temps nous n'avons pas eu le temps de développer un coffret sur-mesure. Cependant nous avons du réaliser l'ensemble des fixations pour les divers éléments.

Voici le coffret une fois l'ensemble des éléments fixés :

Choix partie optique

Les contraintes optiques ont principalement étaient défini par la colorimétrie et la puissance nécessaire.
Pour palier aux contraintes de colorimétries, nous avons chercher des Diodes ElectroLuminescantes tricolores (Rouge, Vert, Bleu) ou plus communément appelées LED RGB.
Ensuite, nous nous sommes concentrés sur la puissance nécessaire pour éclairer un mur à 3 mètres de distance.
Cette contrainte fût difficile à respecter car il y a un palier non existant de LED. En effet, les LED RGB basiques sont loin d'être assez puissantes pour éclairer à une telle distance. Les LED le permettant sont même trop puissante et donc force une grande perte énergétique.
Cependant, nous avons du choisir l'une d'entre elle permettant de respecter les deux contraintes précédentes.

Nous avons choisis les LED LZP car leur colorimétrie semblait correspondre aux contraintes définies par les deux corps d'armée. De plus, c'est une LED RGBW, soit avec une lumière blanche supplémentaire, ce qui permet une plus grande possibilité de manœuvre pour le réglage des couleurs.

Le problème principale de ces LED, en plus d'être trop puissante, est qu'il faut une tension de commande différente pour chaque couleur interne.

C'est pourquoi, étant donné que le cahier des charges imposés des LED RGB nous avons commencer par créer un prototype sans utiliser la LED blanche interne.
De plus, pour éviter de trop grande perte énergétique, nous avons choisis de prendre une lentille permettant une ouverture de 9° au lieu de 180°. Nous avons fait ce choix car c'est l'ouverture la plus faible disponible pour ce type de LED.

Ce choix devra sûrement être remis en cause lors des réglages de colorimétries, en effet le blanc supplémentaire nous permettrait d'atteindre d'autres nuances de couleurs.

Après les tests, nous avons aussi pu remarquer que pour une ouverture en dessous de 3 mm un effet de diffraction des rayons lumineux se crée. Il est donc nécessaire d'étudier l'optique de plus près pour n'avoir qu'une tâche centrale quelque soit l'ouverture.

Comme on peut le voir sur l'image précédente, la photo de gauche (ouverture de 6 mm) présente le orange comme le mélange de deux couleurs. Ce problème se remarque d'autant plus sur l'image de droite (ouverture de 1 mm) car on remarque un point par couleur et non un mélange de couleur.

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diaphragme.jpg

moteur.jpg

driver.jpg

disque.PNG

fixation.PNG

boitier.gif

schema driver.jpg

tableau.PNG

fourche.jpg

schema.jpg

schemaa4988.jpg

led.PNG - Led

lentille.PNG - Lentille

Rapport_Tension-Courant.PNG - Données de tension

comparatif.PNG - Comparatif des projections en fonction de l'ouverture