Commande par supervision de systèmes mécatroniques via internet

The research project presented in this document deals with the supervisory control of
mechatronic systems via the Internet. Its objective is to propose, design and test a web
application architecture based on open standards allowing this type of control by studying
a concrete example. The proposed approach is based on a dynamic web application
using Java 2.0 Enterprise Edition (J2EE), a dynamic web page using Javascript and
the high-level communication protocol Asynchronous JavaScript and XML (AJAX). In
addition, in order to be able to control mechatronic systems remotely, a communication
architecture has been implemented. It includes inter-chip communications performed by
the Serial Peripheral Interface (SPI), wireless communications conducted by a proprietary
solution using the Gaussian Frequency-Shift Keying (GFSK) modulation method,
communications between an electronic board and a PC realized by Universal Serial Bus
(USB), and communications between a PC acting as a web server and other computers
acting as clients with Transmission Control Protocol / Internet Protocol (TCP / IP).
To experiment with the proposed architecture, a mechatronic system consisting of a
two-wheeled mobile inverted pendulum robot was developed and a remotely generated
trajectory tracking problem has been considered. The mechanical design of this robot
consists of a body with a shaft and two wheels, each driven by a DC motor through a
gear box. The body and wheels were designed using CAD software and were manufactured
and assembled at École Polytechnique de Montréal. The electronic system of the
robot consists of a microcontroller, two optical encoders used for measuring the positions
of the wheels, a two-axis accelerometer and a gyroscope used to measure the tilt
angle of the robot, two H-bridge chips used for controlling the DC motors, a liquid crystal
display module, a chip for wireless communication with a computer, a set of batteries
and two voltage regulators used as a power supply.

Résumé

Le projet de recherche présenté dans ce document traite de la commande par supervision
de systèmes mécatroniques via Internet. Son objectif est de proposer, de concevoir et
d'expérimenter une architecture d'application web basée sur des standards ouverts permettant
ce type de commande en étudiant un exemple concret. L'approche proposée est
basée sur une application web dynamique faisant appel à la technologie Java 2.0 Enterprise
Edition (J2EE), une page web dynamique utilisant des Javascript et le protocole
de communication à haut niveau Asynchronous JavaScript and XML (AJAX). De plus,
afin de pouvoir commander à distance des montages mécatroniques, une architecture
de communication a été mise en place. Celle-ci inclut des communications inter-puces
réalisées par le protocole Serial Peripheral Interface (SPI), des communications sans fil
réalisées par une solution propriétaire faisant appel à la technique de modulation Gaussian
Frequency-Shift Keying (GFSK), des communications entre un système embarqué
et un ordinateur PC réalisées par le Universal Serial Bus (USB), et des communications
entre un ordinateur PC agissant en tant que serveur web et d'autres ordinateurs agissant
comme clients réalisées par Transmission Control Protocol / Internet Protocol (TCP/IP).
Afin d'expérimenter l'architecture proposée, un système mécatronique consistant en un
pendule inversé mobile à deux roues a été conçu et un problème de poursuite de trajectoire
générée à distance a été considéré. La conception mécanique de ce robot est constituée
d'un corps avec une tige et de deux roues, chacune étant entraînée par un moteur à
courant continu muni d'une boîte de réduction. Le corps et les roues ont été conçus en
utilisant un logiciel de CAO et ont été fabriqués et assemblés à l'École Polytechnique de
Montréal. Le système électronique du robot est composé d'un microcontrôleur, de deux
encodeurs optiques utilisés pour la mesure des positions des roues, d'un accéléromètre
à deux axes et d'un gyroscope utilisés pour mesurer l'angle d'inclinaison du robot, de
deux puces de ponts en H utilisées pour la commande des moteurs à courant continu,
d'un module d'affichage à cristaux liquides (Liquid Crystal Display - LCD), d'une puce