L’électronique est une partie de la physique qui est relative aux phénomènes électriques. Dans un robot, elle est fondamentale. En effet, les circuits électriques permettent non seulement de transmettre le courant électrique nécessaire à l’alimentation du robot (pour les moteurs par exemple) mais aussi  au transport d’information, obligatoire pour former un système fonctionnel (information des capteurs par exemple), mais permet aussi la constitution de systèmes logiques, qui effectuent les calculs nécessaires au fonctionnement du robot. Plus précisément, l’électronique est une application de l’électricité caractérisée par des tensions et des courants faibles (plus ou moins 5 V pour la tension) ainsi qu’une forte miniaturisation et intégration des composants.  

                Nous allons nous intéresser à la question suivante : Comment fonctionne l’électronique dans une voiture autonome ? et quel est son rôle ?

                 Voici les aspects auxquels nous allons nous intéresser :

Contenu :

- L'électronique analogique

- La révolution du transistor.

- La complexité du transistor.

- Vers l’électronique numérique (digitale).

- Le processeur.

- Adresse et Donnée en mémoire.

- Les “données-programme” et les “données-données”: 2 mémoires.

- Du processeur à l’ordinateur.

1) l’ordinateur de bureau

2) le contrôleur

- Les lois de contrôle.

- Application aux voitures: steer by wire.

- Avec ou sans conducteur.

- Application à la Google Car.

 

 

L’électronique analogique

                L’analogie est synonyme des débuts de l’électronique, de nos jours, elle est de plus en plus remplacée par les systèmes numériques. Par définition, dans un circuit analogique, les courants et les tensions évoluent de manière continue ; il n’y a pas non plus d’ordinateur ou de processeur dans le circuit. Les calculs nécessaires au fonctionnement de l’appareil analogique sont effectués avec la modification d’une tension électrique par différents composants électroniques.

 

 

Voici un exemple simpliste d’un circuit analogique, qui comporte une pile et une résistance  reliés entre eux

Voici un exemple de variation de tension analogique

Cette électronique a été utilisée par exemple pour l’enregistrement et la diffusion de sons : 

 

 

 

 

 

 

 

Cassette audio

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Phonographe portable avec un disque 78 tours.

 

 

La révolution du transistor

                L’utilisation de transistors dans les ordinateurs date de 1947. Le transistor est utilisé aussi bien dans l’électronique analogique, comme amplificateur, que numérique, base du principe de calcul en bits (1,0).  Voici le schéma fonctionnel d’un transistor :

 

 

 

 

 

 

Le transistor fonctionne sur le principe suivant :

Trois fils sortent d’un transistor : B (base), C (collecteur) et E (émetteur). L’émetteur est souvent relié à la masse. La liaison entre l’émetteur et le collecteur peut être dans 3 états :

-fermé (0 en binaire) : aucun courant ne passe entre l’émetteur et le collecteur. Est obtenu si la tension à la base est faible

-l’état d’amplification : le courant qui rentre par la base est amplifié à la sortie du collecteur (utilisé en électricité analogique). Est obtenu si la tension à la base est entre la tension fermée et saturée

-saturé (1 en binaire) : la tension est au maximum entre l’émetteur et le collecteur. Est obtenu si la tension à la base est forte.

Ainsi la tension à la base définit l’état du transistor et permet d’établir la notion de bit, où le transistor peut être en position 0 ou 1.

La pente forte, comme l’atteste le schéma ci-dessous, est utilisé pour des circuits numérique car il est plus facile de différencier les états 0 et 1. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sur les schémas ci-contre, I.C correspond à l’intensité électrique du collecteur et I.B à celle de la base.

 

 

La complexité du transistor

                Le fonctionnement précis du transistor est assez complexe, comme l’atteste le schéma si dessous. C’est pourquoi, nous n’allons pas nous y attarder. Mais il est intéressant de voir comme cet élément de fonctionnement plutôt complexe a une fonction relativement simple et très utile en électronique. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le principe de fonctionnement du transistor.

 

 

Vers l’électronique numérique (digitale)

                Pour connaitre les différences entre l’électronique analogique et numérique, nous vous conseillons de vous reporter à l’interview de M. Lenseigne, plus précisément à l’extrait suivant : 

       

 

 

 

 

Grace à l’utilisation du transistor, les calculs sont plus faciles à réaliser car on peut les effectuer en base binaire. En effet le transistor peut être en position 1 ou 0, qu’on appelle ‘bit’. À partir de là, le calcul s’effectue dans cette base binaire. Par exemple : 1₂ + 1₂ = 10₂ ou, 1₂ + 1₂ + 1₂ = 11₂. L’indice représente la base dans laquelle on calcule. Ainsi, cette base n’est constitué que de deux chiffres : 1 ou 0, le nombre après 1 et 10 en base 2. Dès lors, on peut associer une suite de bits en ‘mots’ pour former de plus grands nombres de 4, 8, 16, 32 ou 64 bits, le nombre de bits influe sur la grandeur du nombre. Pour exprimer, afficher ou manipuler des grands nombres en binaire, on peut changer de base et utiliser le langage hexadécimal par exemple, pour faciliter l’expression des nombre et réduire les erreurs de lectures par l’homme. Le langage de la machine, quant-à-lui demeure toujours en binaire. Ces chiffres hexadécimaux sont basés sur la base 16, avec : 1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F en tant que chiffres. Un chiffre hexadécimal correspond à un chiffre de 4 bits et un mot de 16 bits correspond à un mot de 4 chiffres hexadécimaux : FFFF₁₆= 65536= 2¹⁶. 

 

 

 

 

 

 

Dans un système électronique digital, les tensions n’évoluent pas de manière continue, elles fluctuent  périodiquement en fonction du temps entre 2 tensions.

 

 

Le processeur

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L’unité de calcul dans un système numérique est le processeur. Il exécute donc les programmes informatiques contenus dans une mémoire. Il peut communiquer avec une mémoire comme ceci : 

 

 

 

 

 

 

L’unité de calcul et la mémoire sont reliés par deux ‘bus’ : le bus d’adresse et le bus de données.  Des mots de 16, 32 ou 64 bits sont échangés.  Le bus est constitué d’autant de fils électriques que la capacité de longueur des mots en bits (16 fils pour des mots de 16 bits). Ces mots sont utilisés à la fois comme donnée et comme adresse à laquelle chercher une donnée dans une mémoire. Comme leur nom l’indique, les mots relatifs aux données circulent par le bus de données et ceux relatifs aux adresses par le bus des adresses. Ainsi, un mot donné qui doit être « rangé » dans la mémoire, circule en même temps qu’un mot adresse associé qui lui permet d’être rangé ou de savoir d’où il vient.

 

 

Adresse et Donnée en mémoire

Le schema ci-dessus représente la mémoire et permet de mieux comprendre le principe de bus d’unité et de données. Ici le processeur vient de calculer une valeur et veut la conserver. Il l’envoie par les bus des données en même temps qu’une adresse unique par le bus d’adresses. La mémoire « range » l’information dans la case qui correspond à la valeur d’adresse. Lorsque le processeur souhaite réutiliser cette valeur,  il lui suffit de renvoyer l’adresse qui correspond à celle-ci ; la mémoire lui renvoie alors la donnée qui correspond. 

 

 

Les “données-programme” et les “données-données”: 2 mémoires

                En pratique, on distingue deux types de mémoire : la mémoire données qui stocke les données nécessaires aux calculs et la mémoire programme qui stocke un programme ou si l’on veut un ensemble d’ordres à exécuter : Ici par exemple, les étapes suivantes sont exécutées grâce aux deux  mémoires :

 

 

 

 

 

1.     1) Le processeur met l’adresse de l’instructionsur le bus adresse et récupère l’instructionsur le bus donnée

2.     2) L’instruction lui donne l’adresse de la donnée à calculer

3.     3) Le processeur met l’adresse de la donnéesur le bus adresse et récupère la donnée sur le bus donnée

4.     4) L’UAL calcule ce que l’instruction demande

5.     5) Le processeur met l’adresse de la donnée-résultatsur le bus adresse et renvoie le résultatde calcul sur le bus donnée

 

 

Du processeur à l’ordinateur

1) l’ordinateur de bureau

 

 

             

 

 

 

 

L’ensemble que nous venons d’étudier est nommé « carte mère ». On peut allonger les bus donnés et adresse pour rajouter des unités et en faire un grand ensemble fonctionnel. Ici nous avons l’exemple d’un ordinateur de bureau. On rajoute à la carte mère, une carte graphique qui permet d’afficher quelque chose sur un écran d’ordinateur ; des contrôleurs disques pour lire des données gravées sur un disque ou rajouter une extension de mémoire ; un contrôleur réseaux qui permet à notre ensemble à se connecter à d’autres ordinateurs comme avec internet par exemple (il s’agit d’une extension des bus de données et d’adresses vers d’autres ordinateurs) ; et enfin des contrôleurs USB pour lire des informations sur clefs USB ou relier l’ordinateur à d’autres appareils électroniques. On peut ainsi, rajouter ce dont on a besoin à cet ensemble.

2) le contrôleur

 

 

               

 

 

 

 

Un robot fonctionne sur le même principe, sauf que les « extensions » et les programmes dans la mémoire programme ne sont pas les mêmes. On garde notre carte mère, à laquelle on ajoute une liaison série pour permettre à un ordinateur de se connecter à l’ensemble (pour charger un programme, redémarrer l’ensemble, afficher des informations sur les calculs du robot, chercher des bugs dans le robot), des capteurs pour permettre au robot de « sentir » son environnement, des actionneurs (moteurs par exemple) pour  que le robot puisse interagir avec son environnement et enfin des contrôleurs réseaux pour qu’il puisse envoyer et recevoir des données à distance. L’intelligence artificielledu robot, quant-à-elle est programmée dans la mémoire programme.

 

 

Les lois de contrôle

Le robot fonctionne sur les bases des lois de contrôle. Une loi de contrôle cherche à amener un système proche de sa consigne. Le robot fonctionne sur le principe suivant :

 

 

 

 

Comme vous pouvez le voir, la loi de contrôle se présente comme ceci : On donne une consigne au robot via la programmation : par exemple pour un radiateur domotique : il doit faire 20°C dans la pièce. Les capteurs apportent des informations sur le monde physique au robot. Pour cet exemple, des capteurs thermométriques sont installés dans la pièce. S’ils captent une température de 20°C, rien ne se passe, sinon, s’il y a une différence entre ce que rapportent les capteurs et les consignes, une température de 19°C par exemple ; le robot active un contrôleur qui a une action sur le monde physique et change ce que reçoivent les capteurs. Dans notre exemple, le chauffage se met en route jusqu’à ce que les capteurs rapportent une température de 20°C. Bien évidemment c’est une théorie, et en pratique il faudrait aussi programmer le radiateur pour qu’il ne s’active pas lorsque la température est supérieure à 20 C.

L’action effectuée par le robot sur le monde physique pour respecter la consigne est caractérisée par un « gain », c’est-à-dire une mesure de la réactivité du système.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ici, le système est mou, le gain est faible

 

 

Application aux voitures:
steer by wire

                Il existe déjà des ordinateurs dans la majorité des voitures en vente de nos jours. Par exemple le ‘steer by wire’ ou le principe de relier le volant aux roues par un ordinateur. Ici, et dans tous les systèmes d’ordinateur dans une voiture qui respectent les normes de sécurités, les pièces électronique critiques, qui peuvent être fatales si elles sont défaillantes, sont redondantes, c’est-à-dire qu’elles sont présentes en double dans la voiture.  Il en va de même pour les capteurs de la voiture autonome. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Deux schéma sur le steer by wire 

 

 

Avec ou sans conducteur

 

 

 

 

 

 

 

 

Ce schéma nous permet de montrer que le conducteurs qui dans une voiture, qui  s’occupe de la diriger et qui constitue la consigne dans la loi de contrôle, peut être remplacé par une fusion de capteurs dans la théorie de la voiture autonome. 

 

 

Application à la Google Car

Voici un exemple de voiture autonome : la Google car. Ici, nous pouvons voir son schéma fonctionnel. On peut effectivement voir la diversité des capteurs qui remplacent le conducteur, et les services comme l’écran tactile proposés par cette automatisation de la voiture, qui peuvent être perçus comme un avantage. Nous nous repencherons sur cette voiture plus tard dans ce TPE. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nous avons donc abordé l'électronique dans une voiture électronique. Bien sûr, cet électronique est bien plus complexe dans les systèmes fonctionnels des voitures autonomes. Mais nous avons vu la base de cette notion.

 

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