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Le remplacement de 4 convertisseurs fréquence/tension par un microcontrôleur Arduino UNO, qui aurait du être l’ultime évolution du système électronique de contrôle du pont élévateur n’était en fait qu’une évolution de transition …
La nouvelle version de l’armoire électrique de contrôle de la vitesse de rotation des moteurs du pont élévateur intègre à présent un microcontrôleur Arduino Nano R4.
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Comme indiqué dans un article précédent, mes premiers travaux de conception électronique ont été réalisés à l’aide de l’éditeur de schémas KiCAD. Dans le cadre pédagogique du projet BATLab112, j’ai constamment veillé à optimiser la qualité et la précision technique de la documentation produite. Au-delà des enjeux strictement liés à l’apprentissage, cette démarche répond également à un objectif opérationnel : assurer une traçabilité rigoureuse de l’avancement de la conception et de la fabrication. Cette exigence s’explique notamment par le rythme parfois irrégulier de l’avancement du projet, fortement conditionné par mes contraintes professionnelles. En effet, le projet BATLab112 est financé sur fonds propres et développé sur mon temps libre. Cette discontinuité dans la planification du travail génère donc des pertes d’efficacité et un risque accru d’erreurs lors de la reprise des activités après de longues périodes d’interruption. C’est précisément ce constat qui m’a conduit à explorer plus en profondeur les fonctionnalités des logiciels utilisés, tels que FreeCAD ou KiCAD, afin de documenter aussi précisément que possible la progression des différentes tâches.
Le présent article s’inscrit dans un contexte particulier. D’une part, l’avancement du pont élévateur à l’échelle 1/12 du diorama, l’équipement industriel le plus complexe du dispositif, a été ralenti à la suite de la réalisation d’une maquette de validation. Les essais menés sur cette maquette ont mis en évidence plusieurs insuffisances dans la conception des schémas électroniques destinés au pilotage du système. D’autre part, cette nécessité de réviser la conception s’est trouvée aggravée par la mise à jour du logiciel vers la version 9.0.7, laquelle a entraîné des comportements inattendus lors de l’ouverture de fichiers créés avec une version antérieure, en particulier ceux reposant sur l’usage de feuilles hiérarchiques.
Face à ces difficultés, il m’a paru indispensable de réexaminer l’usage de cette fonctionnalité afin de renforcer la robustesse de mes futurs fichiers de conception électronique, tout en améliorant la qualité des schémas de commande du pont élévateur.
Dans le logiciel de conception électronique KiCad, la fonctionnalité des feuilles hiérarchiques occupe une place centrale dans la structuration et la gestion de schémas complexes. Elle permet d’organiser un projet en sous-ensembles cohérents, facilitant ainsi la lisibilité, la modularité et la réutilisation des blocs fonctionnels au sein d’un même design ou dans plusieurs projets successifs.
Sur le plan conceptuel, une feuille hiérarchique constitue une représentation encapsulée d’une partie du schéma global. Elle joue un rôle comparable à celui d’un module ou d’une fonction dans un langage de programmation : en isolant une fonction électronique spécifique — telle qu’une alimentation, une interface de commande ou un circuit de régulation — elle permet de clarifier les responsabilités de chaque sous-bloc tout en réduisant la charge cognitive nécessaire à la compréhension du système complet. Cette approche hiérarchique s’avère particulièrement pertinente pour les projets comportant de multiples interactions entre sous-systèmes, où un schéma linéaire et monolithique entraînerait inévitablement une perte de lisibilité.
Sur le plan opérationnel, KiCad offre deux mécanismes complémentaires au sein de cette fonctionnalité :
L’un des avantages majeurs de cette approche réside dans la possibilité de réutiliser des blocs fonctionnels sans les reconstruire entièrement. Les concepteurs peuvent ainsi constituer une bibliothèque interne de sous-circuits robustes et validés, contribuant à une standardisation progressive de leurs méthodes de conception. De plus, en cas de modifications, les feuilles hiérarchiques permettent une mise à jour localisée du design, limitant les erreurs potentielles et garantissant une meilleure cohérence globale du projet.
Enfin, la structuration hiérarchique favorise la collaboration au sein d’équipes de conception. Chaque membre peut se voir confier un sous-système particulier, dont le développement est rendu indépendant des autres parties du schéma. Cette division du travail, rendue explicite par la hiérarchie des feuilles, contribue à une gestion plus efficace des tâches ainsi qu’à une documentation technique plus rigoureuse.
Le pont élévateur intégré au diorama du projet BATLab112 a pour fonction d’assurer le déplacement vertical de la Batmobile entre les deux niveaux de l’atelier robotisé. Son principe de fonctionnement s’inspire directement des ponts élévateurs électriques à quatre colonnes utilisés dans l’industrie automobile pour le levage de véhicules lourds à des fins de maintenance. Chaque colonne de ce type de dispositif est équipée d’une vis sans fin entraînée par un moteur électrique. La synchronisation des quatre moteurs permet de contrôler de manière coordonnée la montée ou la descente de la plateforme supportée par l’ensemble des colonnes, en fonction du sens de rotation imposé à ces derniers.
Cet équipement s’insère dans un ensemble plus large d’installations composant le diorama du projet BATLab112, lequel comprend notamment :
L’ensemble de ces dispositifs vise à atteindre un niveau élevé de réalisme tant fonctionnel qu’esthétique.
Le premier niveau hiérarchique du schéma électrique du pont élévateur correspond à la structure générale de son architecture de commande et d’alimentation. Il comprend :
Le second niveau hiérarchique décrit l’organisation interne des modules constituant chacun des équipements précédemment mentionnés.
L’armoire électrique qui regroupe les équipements électroniques de régulation de la vitesse de rotation des moteurs contient :
L’armoire électrique qui regroupe les équipements électroniques de contrôle du sens de rotation des moteurs contient :
La console de commande contient :
Enfin, le troisième niveau hiérarchique permet de détailler le schéma électronique propre à chacun des PCB identifiés au niveau supérieur. Ce niveau constitue l’unité de description la plus fine, garantissant une documentation précise et exploitable pour la conception, la vérification et la maintenance des différents modules électroniques du pont élévateur.
Le fichier final de conception réalisé sous KiCad regroupe l’ensemble des feuilles schématiques correspondant à tous les modules de chacun des niveaux hiérarchiques. Cette organisation centralisée offre une navigation efficace au sein du projet : elle permet de sélectionner rapidement le degré de détail souhaité lors de la consultation des schémas, tout en conservant une vision d’ensemble du fonctionnement global du système. Une telle visibilité est particulièrement utile pour appréhender la structure et la cohérence des liaisons établies entre les différents équipements définis au premier niveau hiérarchique.
Pour en apprendre plus sur le contenu et le fonctionnement de ces schémas
Pour découvrir le diorama à l’échelle 1/12 du projet BATLab112
Electronique du pont élévateur – Prototype Ep3
Résumé
Cet article détaille l’optimisation de l’électronique embarquée de l’armoire électrique de contrôle du pont élévateur du projet BATLab112, intégrant un Arduino Nano R4. Cette évolution améliore la compacité de l’armoire électrique, la robustesse du câblage et la maintenabilité du système. Le Nano R4 permet également un pilotage plus précis des moteurs via des signaux PWM,…
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Suite à la phase de prototypage précédente, consacrée à la validation du principe de mesure et de régulation des vitesses des quatre moteurs du pont élévateur, une nouvelle évolution technique a été engagée : le remplacement de la carte Arduino Uno utilisée pour l’acquisition des signaux par une carte Arduino Nano R4 montée sur une carte adaptateur avec borniers à vis.
Cette mise à jour s’inscrit dans une démarche d’amélioration continue visant à renforcer la fiabilité, la compacité et la maintenabilité de l’électronique de commande du pont élévateur du diorama de la Batcave dans le cadre du projet BATLab112.
Pour plus d’infos :
Le prototype antérieur avait permis de démontrer qu’une seule carte Arduino pouvait avantageusement remplacer les modules de conversion fréquence/tension initialement envisagés. L’Arduino Uno assurait alors la lecture des quatre signaux issus des capteurs optiques, leur traitement, puis la transmission des informations vers la console de commande.
Si cette architecture s’est révélée fonctionnelle, elle présentait néanmoins certaines limites. D’une part, l’encombrement de la carte Arduino Uno constituait une contrainte notable au regard des dimensions internes de l’armoire électrique. D’autre part, cette solution n’apportait pas d’amélioration significative en matière de robustesse du câblage, point identifié comme critique lors des phases de validation précédentes, notamment avec l’utilisation de PCB dédiés à la conversion fréquence/tension.
Le format Nano, même associé à une carte adaptateur avec borniers à vis, permet un gain de place significatif par rapport à une carte Arduino Uno. Cette réduction d’encombrement autorise une implantation verticale du module sur son support, optimisant ainsi l’organisation interne de l’armoire électrique.
Cette nouvelle configuration favorise une circulation plus rationnelle des câbles, désormais intégrés dans des chemins dédiés. Elle contribue également à améliorer le réalisme global du diorama, en rapprochant l’architecture de celle d’une installation industrielle réelle.
L’utilisation d’une carte adaptateur équipée de borniers à vis constitue une amélioration majeure en termes de fiabilité. Ces connecteurs offrent une meilleure tenue mécanique et réduisent les risques de faux contacts, en particulier dans un environnement soumis à des manipulations ou à des vibrations.
Cette évolution corrige les limites observées sur les précédents modules de conversion, dont la connectique était moins adaptée à une exploitation durable.
Pour plus d’infos :
Le faible encombrement de l’Arduino Nano R4 et son mode de connexion à la carte adaptateur facilitent les opérations de maintenance. Il devient possible de retirer rapidement la carte pour effectuer des mises à jour du programme (sketch) ou réaliser des tests fonctionnels en toute sécurité.
Par ailleurs, le connecteur support du Nano R4 est doté d’une double rangée de broches, permettant l’utilisation de câbles de prototypage. Cette caractéristique autorise la réalisation de mesures de contrôle directement sur les entrées et sorties de la carte, sans démontage du système, ce qui constitue un atout important en phase de mise au point.
Le connecteur USB-C de l’Arduino Nano R4 présente un double avantage. Il permet non seulement d’assurer l’alimentation électrique de la carte, mais également d’envisager une communication directe avec l’environnement de développement Arduino (IDE).
Cette double fonctionnalité simplifie les opérations de configuration, de diagnostic et de mise à jour logicielle, tout en limitant le nombre de connectiques nécessaires. Elle s’inscrit pleinement dans une logique de simplification et de rationalisation de l’architecture embarquée.
Cette démarche d’amélioration s’étend également au PCB de raccordement interne de l’armoire électrique. Dans sa version précédente, celui-ci présentait des limites de conception, notamment une résistance mécanique insuffisante pour supporter les contraintes induites par les opérations de vissage et de dévissage des câbles au niveau des connecteurs. La nouvelle version corrige ces faiblesses en renforçant la robustesse mécanique de la carte, tout en intégrant des fonctionnalités supplémentaires. Elle inclut désormais une protection par fusibles de la distribution électrique issue de l’armoire, ainsi que des broches dédiées aux tests fonctionnels de transmission des signaux PWM.
Les capacités de l’Arduino Nano R4 permettent d’envisager une évolution fonctionnelle notable : la transmission directe, via un câble RJ12, des signaux PWM dédiés à la régulation de la vitesse de rotation de chacun des moteurs. Ces signaux sont acheminés vers des modules de puissance de type L298N, en charge du pilotage effectif des moteurs au sein de l’armoire de puissance.
Cette organisation contribue à simplifier la chaîne de commande, en réduisant les intermédiaires électroniques, tout en renforçant la cohérence entre les niveaux de contrôle et de puissance. Elle favorise également une meilleure lisibilité des flux fonctionnels au sein du système.
Dans ce nouveau contexte, l’intégration d’un écran OLED local apparaît comme une évolution cohérente. Connecté via le bus i2c, cet équipement offre la possibilité d’afficher en temps réel l’état de fonctionnement du système au plus près de son implantation. Il constitue ainsi un outil précieux pour les opérations de supervision, de diagnostic et de maintenance, en fournissant un retour d’information direct et indépendant de la console principale.
Le changement de carte ne s’est pas limité à une évolution matérielle. Il s’est accompagné d’une refonte du script Arduino afin d’exploiter pleinement les capacités du Nano R4. Cette évolution logicielle vise à améliorer la précision des mesures, la qualité de la régulation et la robustesse globale du système de contrôle du pont élévateur.
Dans la version précédente reposant sur des convertisseurs fréquence/tension, les signaux issus des capteurs optiques présentaient des fréquences trop faibles pour permettre une mesure précise et fiable. Cette limitation impactait directement la qualité du retour d’information nécessaire à la régulation.
L’utilisation directe de l’Arduino Nano R4 permet désormais une lecture plus fine des quatre signaux des capteurs optiques. Grâce à une meilleure résolution temporelle et à une acquisition directe des impulsions, le système est capable de mesurer avec précision les variations de vitesse des moteurs.
L’évolution logicielle a également porté sur l’optimisation de la régulation des moteurs. Le calcul du rapport cyclique des signaux PWM a été affiné afin d’assurer un pilotage plus précis de la vitesse de rotation.
L’intégration de la bibliothèque dédiée « pwm.h » facilite la gestion des signaux PWM en offrant des fonctions plus adaptées et plus performantes. Elle permet notamment de simplifier la génération des signaux tout en améliorant leur précision.
Le passage de l’Arduino Uno au Nano R4 marque une étape significative dans le développement de l’électronique du pont élévateur. Plus compact, plus performant et mieux adapté aux contraintes d’intégration en environnement miniature, ce nouveau contrôleur contribue à une amélioration globale du système.
Au-delà du gain d’encombrement, cette évolution se traduit par une meilleure maîtrise des aspects techniques, notamment en matière de précision de mesure, de régulation des moteurs et de qualité du câblage. Elle participe également à l’amélioration de l’esthétique du dispositif, en permettant une intégration plus discrète et plus cohérente avec le réalisme recherché.
Cette évolution ne se limite pas à un simple remplacement de carte électronique. Elle illustre la maturation progressive du projet BATLab112, qui tend à dépasser le stade du prototype expérimental pour se rapprocher d’un système embarqué structuré, fiable et maintenable.
La conception du diorama technique s’inscrit ainsi dans une logique comparable à celle d’un projet industriel : prise en compte des contraintes d’intégration, fiabilisation des connexions, optimisation des performances et anticipation des besoins de maintenance. Le pont élévateur devient alors un véritable équipement miniature, dont le fonctionnement et l’architecture s’inspirent directement des standards de l’ingénierie embarquée.
La prochaine étape du projet consistera à intégrer l’armoire électrique de Contrôle avec cette nouvelle architecture électronique au sein du système électronique de commande du pont élévateur. Cette phase permettra de valider le comportement du système en conditions réelles d’exploitation.
La conception d’un diorama technique, pédagogique et fonctionnel — comme celui développé dans le cadre du projet BATLab112 — requiert une méthodologie rigoureuse fondée sur la précision dimensionnelle, la maîtrise des interactions mécaniques et la cohérence esthétique de l’ensemble. Les outils de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) s’imposent dans cette démarche, car ils permettent de structurer les différentes phases du projet, de réduire les risques d’erreurs et d’assurer la reproductibilité des modèles.
Dans cette perspective, FreeCAD, logiciel libre de modélisation 3D paramétrique, constitue un environnement particulièrement pertinent. Ses capacités avancées de représentation, sa flexibilité structurelle et son inscription dans l’écosystème open source en font un outil adapté aux projets complexes, évolutifs et techniquement exigeants tels que BATLab112.
FreeCAD repose sur une architecture entièrement paramétrique dans laquelle chaque élément géométrique est défini par un ensemble de contraintes et de variables modifiables. Cette approche permet d’obtenir une cohérence structurelle particulièrement utile dans la conception d’un diorama évolutif.
Cette architecture paramétrique :
Dans le cadre du projet BATLab112, l’utilisation de FreeCAD a permis un travail fondamental : le dimensionnement complet des équipements miniatures du diorama à partir du modèle réduit de la Batmobile, choisi comme référence esthétique et dimensionnelle. Le véhicule, présenté à l’échelle 1/12, a servi de base pour établir l’encombrement maximal des plateformes motorisées, pour calibrer la hauteur utile du pont élévateur, ou encore pour définir les dégagements nécessaires aux mouvements de rotation et de translation. FreeCAD a donc rendu possible une modélisation cohérente de l’ensemble du dispositif, en permettant d’adapter chaque équipement aux proportions imposées par l’objet central du diorama.
Un exemple concret :
L’article de présentation de la modélisation 3D de l’intégration des équipements industriels dans la diorama, qui consiste à rassembler tous les équipements industriels conçus séparément, dans une modélisation globale de l’atelier de la Batcave du projet BATLab112 est une parfaite illustration de l’intérêt de l’utilisation d’un logiciel de modélisation 3D paramétrique tel que FreeCAD.
La fabrication d’un diorama fonctionnel impose une maîtrise fine des échelles et des tolérances mécaniques, particulièrement dans un projet tel que BATLab112 associant impression 3D, assemblages mécaniques et intégration électronique.
FreeCAD permet un contrôle dimensionnel très précis, répondant directement aux contraintes imposées par la fabrication additive ou par les mécanismes miniaturisés (guidages linéaires, engrenages, axes, plateformes motorisées, etc.).
La modélisation détaillée des circuits imprimés équipant les consoles de commande et les armoires électriques du pont élévateur a démontré toute l’importance de cette précision de conception. FreeCAD a permis de reproduire les PCB avec une exactitude compatible avec le pas standard de 2,54 mm, garantissant l’emplacement précis de chaque composant électronique (microcontrôleurs, borniers, LED, résistances). Cette modélisation rigoureuse a rendu possible :
Grâce à ses outils d’esquisse, de cotation et de modélisation volumique, ainsi qu’aux modules spécialisés tels que Part Design, Draft ou TechDraw, FreeCAD a permis de générer des plans cotés, des vues éclatées, des cinématiques de sous-ensembles et des validations d’interférences, indispensables à la fabrication et à l’assemblage des différents systèmes du diorama.
Un exemple concret :
L’article consacré à la modélisation 3D de l’intégration des PCB, équipés de leurs composants électroniques, au sein du corps de la console de commande constitue une illustration particulièrement représentative de la précision offerte par FreeCAD.
FreeCAD s’intègre aisément dans l’ensemble de la chaîne de fabrication numérique grâce à sa capacité à exporter des modèles dans des formats couramment utilisés dans l’industrie. Cette interopérabilité constitue un atout essentiel pour un diorama mêlant mécanique, électronique, architecture miniature et automatisation.
Dans le cadre du projet BATLab112, l’utilisation de FreeCAD permet :
Cette capacité à circuler entre différents outils de production garantit une continuité fluide entre la phase de conception numérique et la fabrication physique du diorama.
Un exemple concret :
L’article consacré à la modélisation 3D de la structure des armoires de distribution électrique met en évidence la manière dont FreeCAD permet d’articuler de manière cohérente la conception du design de ces structures avec les contraintes spécifiques de leur fabrication en impression 3D. Il illustre notamment la prise en compte, dès la phase de modélisation, des limitations techniques et dimensionnelles de l’imprimante Anet A8 utilisée dans le cadre du projet.
L’un des avantages majeurs de FreeCAD réside dans sa nature open source, qui offre une série de bénéfices spécifiques pour la conception d’un diorama évolutif.
Tout d’abord, la pérennité des données est assurée, puisque les fichiers produits ne dépendent pas de licences propriétaires susceptibles de devenir obsolètes ou inaccessibles. Dans le projet BATLab112, débuté en 2018 et encore en développement, cette indépendance garantit la continuité du travail.
Ensuite, la forte évolutivité fonctionnelle du logiciel permet d’adapter l’outil aux besoins spécifiques du diorama. L’ajout de macros, de scripts Python ou de modules complémentaires facilite, par exemple, la simulation des mouvements de chaque système du diorama, qu’il s’agisse d’un équipement isolé ou d’un ensemble de mécanismes fonctionnant simultanément.
Par ailleurs, FreeCAD bénéficie d’une communauté active et collaborative fournissant une documentation abondante, des bibliothèques de modèles et un accompagnement constant dans la résolution de problèmes techniques.
Enfin, son accessibilité économique, due à l’absence de frais de licence, rend possible une utilisation dans des contextes amateurs, pédagogiques ou associatifs tout en conservant un niveau de professionnalisme élevé.
Dans le cas du BATLab112, cette philosophie ouverte a permis une évolution continue du diorama, facilitant l’ajout de nouvelles fonctionnalités, l’amélioration de dispositifs existants et le renforcement du réalisme technique du modèle.
Au-delà de la modélisation 3D, FreeCAD contribue à structurer la démarche méthodologique du projet. Dans BATLab112, l’architecture générale du diorama a été organisée selon une logique systémique, chaque système représentant un équipement industriel miniature, décomposé en sous-systèmes et composants. Cette structuration hiérarchique a favorisé une vision globale du projet, tout en permettant une progression contrôlée à travers les différentes phases de développement.
Dans ce contexte, FreeCAD s’est révélé parfaitement adapté à une méthode de gestion de projet, notamment à travers :
Un exemple représentatif issu du projet BATLab112 illustre cette intégration méthodologique : FreeCAD a été utilisé comme outil central pour orchestrer les différentes phases du développement, depuis la modélisation initiale des environnements architecturaux jusqu’à l’intégration finale des sous-systèmes mécaniques et électroniques. L’outil a servi de base commune pour valider les choix techniques, identifier les risques de conception, organiser la fabrication des pièces et coordonner les étapes d’assemblage. Par son approche paramétrique et sa capacité à documenter automatiquement chaque étape, FreeCAD s’est ainsi comporté comme un véritable support de gestion de projet, et non comme un simple logiciel de modélisation.
Un exemple concret :
La page consacrée à la présentation de la méthode utilisée pour gérer le projet BATLab112 met en évidence le rôle central joué par FreeCAD tout au long du cycle de vie du projet. Elle souligne l’importance de cet outil depuis les phases de conception préliminaire, où sont définies les architectures générales et les premiers volumes fonctionnels, jusqu’à la modélisation 3D détaillée de l’ensemble des équipements intégrés dans le diorama.
L’usage de FreeCAD dans la conception du diorama technique BATLab112 révèle une série d’avantages déterminants tant sur le plan conceptuel que sur le plan opérationnel. Sa modélisation paramétrique, sa précision dimensionnelle, son interopérabilité avec les outils de fabrication numérique et sa nature open source en font un environnement particulièrement adapté à la conception rigoureuse, évolutive et documentée d’un diorama fonctionnel.
Au-delà de la simple production de modèles 3D, FreeCAD constitue un véritable environnement de conception, de prototypage et de communication technique. Le projet BATLab112 illustre de manière exemplaire comment cet outil permet de sécuriser les choix conceptuels, d’enrichir progressivement les fonctionnalités du diorama et d’assurer une cohérence globale dans l’ensemble du processus créatif.
Les consoles de commande du projet BATLab112 constituent des modules techniques intégrés au diorama de la Batcave, destinés à centraliser les commandes manuelles et l’affichage des données liées aux équipements industriels miniatures présent dans le diorama de la Batcave. Leur fonctionnement repose en grande partie sur l’intégration de cartes microcontrolleur Arduino, choisi pour leur facilité de mise en œuvre, leur modularité et la disponibilité de nombreux modules compatibles.
L’objectif principal est d’obtenir des consoles fonctionnelles, capables d’afficher des informations en temps réel sur l’état des équipements industriels, d’émettre des signaux lumineux et d’interagir avec d’autres sous-systèmes du diorama.
Les consoles de commande sont directement connectées aux sorties des armoires de raccordement du poste électrique.
Le choix des microcontrôleurs destinés aux consoles de commande est directement lié au type de modules d’affichage retenus. Les consoles du projet BATLab112 utilisent des écrans TFT tactiles 2,8’’, équipés d’un lecteur de carte au format SIM, nécessitant un nombre important de broches pour gérer simultanément l’affichage graphique, la couche tactile et les fonctionnalités annexes intégrées au module.
Pour la première console, deux écrans sont utilisés afin d’afficher en temps réel l’ensemble des informations relatives à l’état du système industriel contrôlé. Cette organisation à double affichage permet de répartir clairement les données selon leur nature et leur utilité opérationnelle. Les écrans sont ainsi mobilisés pour présenter :
La phase de conception préliminaire de la première console de commande, destinée au pilotage de la plateforme rotative de la Batmobile, a conduit au choix d’une carte Arduino Mega 2560. Ce choix s’explique principalement par le nombre élevé de broches disponibles, permettant de répondre aux besoins de raccordement identifiés lors de ce premier développement. L’architecture retenue devait également anticiper l’évolution des consoles futures, notamment celles destinées à piloter des équipements mécaniques plus complexes. En effet, si la plateforme rotative repose sur le pilotage d’un seul moteur, le pont roulant nécessite deux moteurs, le pont élévateur quatre, et certains bras robotiques jusqu’à cinq.
L’Arduino Mega 2560 présente ainsi plusieurs avantages pour la mise en œuvre des éléments techniques suivants :
L’ensemble de ces facteurs a confirmé la pertinence du choix de l’Arduino Mega pour assurer la robustesse, la modularité et l’évolutivité requises par la suite du projet BATLab112.
L’intégration des deux modules Arduino Mega 2560, indispensables à chacune des consoles de commande pour assurer le pilotage des deux écrans TFT 2,8″, a exercé une influence déterminante sur la conception générale de ces interfaces. Bien que les microcontrôleurs demeurent relativement compacts, leur installation directe, équipée de leurs écrans respectifs, sur le panneau vertical frontal de la console aurait entraîné une augmentation notable des dimensions hors tout. Une telle configuration se serait révélée incompatible avec les contraintes spatiales strictes imposées par l’intégration de quatre consoles au sein du diorama.
Afin de concilier cohérence technique, lisibilité fonctionnelle et exigences esthétiques, le choix s’est porté sur une implantation verticale et déportée à l’arrière des modules Arduino. Cette solution intermédiaire a permis d’optimiser l’espace tout en préservant la silhouette des consoles, garantissant ainsi une intégration harmonieuse dans l’ensemble scénographique du projet BATLab112.
La réalisation des consoles de commande du projet BATLab112 met en lumière l’intérêt particulier de l’écosystème Arduino pour les projets de diorama intégrant des fonctionnalités mécaniques, lumineuses ou interactives. Dans un contexte où la miniaturisation, la fiabilité et la polyvalence sont essentielles, les microcontrôleurs Arduino se révèlent être des outils parfaitement adaptés. Leur rapidité de mise en oeuvre, leur compatibilité immédiate avec une vaste gamme de modules d’affichage, de commande ou de pilotage moteur, ainsi que la simplicité de leur programmation, en font une solution idéale pour orchestrer les multiples sous-systèmes qui animent un diorama technique.
L’intégration des Arduino dans les consoles de BATLab112 montre à quel point ces microcontrôleurs facilitent le développement progressif d’un projet créatif. Ils permettent d’ajouter, de tester ou de modifier rapidement des fonctions, sans revoir entièrement l’architecture existante. Cette capacité d’évolution est un atout décisif dans un diorama où chaque module — plateforme rotative, pont roulant, pont élévateur ou bras robotique — impose ses propres besoins électriques et mécaniques. Grâce à l’Arduino, ces exigences peuvent être prises en charge de manière cohérente, tout en restant accessibles à un maquettiste ou un concepteur ne disposant pas nécessairement d’un bagage spécialisé en électronique industrielle.
À la suite du premier article sur la version initiale de l’électronique du pont élévateur, celui-ci présente les principales évolutions techniques mises en œuvre.… Lire la suite →
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Le premier prototype du système électronique destiné à la commande des quatre moteurs du pont élévateur du diorama pédagogique de la Batcave a mis en évidence plusieurs dysfonctionnements. Ceux-ci résultent principalement d’un choix de composants inadapté lors de la phase de conception, notamment au regard des performances attendues du système. Plus précisément, le prototype a révélé les limites techniques des quatre convertisseurs fréquence-tension utilisés comme interface entre les plateformes moteurs et la console de commande.
Les moteurs fonctionnant à des fréquences inférieures à 500 Hz, les convertisseurs délivrent des tensions de sortie présentant des variations inférieures à 50 mV. L’acquisition, la transmission et le traitement de ces signaux de très faible amplitude induisent un taux d’incertitude trop élevé pour garantir un fonctionnement suffisamment fiable et prévenir les risques de blocage du pont élévateur.
L’objectif principal de ce nouveau prototype est de valider le principe des modifications proposées à la conception initiale. Celles-ci reposent notamment sur le remplacement des quatre modules de conversion fréquence-tension par une carte à microcontrôleur de type Arduino.
Un second objectif consiste à évaluer l’intégration d’un écran LCD I2C associé au microcontrôleur, permettant l’affichage local des vitesses de rotation des moteurs ainsi que leur traitement au plus près des plateformes. Cette amélioration, non envisagée dans la conception initiale, a émergé lors de l’utilisation de la plateforme TinkerCAD, au cours de la simulation du remplacement des modules de conversion par un Arduino.
Un troisième objectif vise à valider un nouveau mode d’échange d’informations entre l’armoire électrique d’acquisition des signaux issus des capteurs optiques et la console de commande. Le premier prototype reposait sur la transmission de quatre signaux analogiques correspondant aux tensions en sortie des convertisseurs. L’intégration d’un microcontrôleur dans l’armoire électrique permet désormais d’envisager une communication plus fiable via les ports série (Rx/Tx). Le traitement des signaux est ainsi déporté vers ce microcontrôleur, libérant celui de la console de commande, qui est alors exclusivement dédié à la mise à jour de l’affichage sur l’écran TFT 2,8″.
Comme indiqué dans la conclusion de l’analyse du premier prototype, l’architecture générale du système électronique a été globalement reconduite. Le dispositif comprend ainsi les quatre plateformes moteurs assurant l’entraînement des axes du pont élévateur, connectées à deux armoires électriques distinctes :
Dans le cadre de ce nouveau prototype, un microcontrôleur Arduino UNO R3, déjà disponible dans le stock du projet BATLab112, a été retenu pour remplacer les quatre modules de conversion. Ce choix, fondé sur une démarche de rationalisation des coûts, demeure provisoire et pourra évoluer au cours des phases ultérieures du projet.
La conclusion de l’article consacré au premier prototype soulignait deux axes principaux d’amélioration :
Le présent travail confirme la validité du principe de remplacement des convertisseurs par un microcontrôleur. Il reste toutefois à déterminer le modèle Arduino le plus adapté pour une intégration définitive au sein de l’armoire électrique d’acquisition et de traitement des signaux issus des capteurs optiques des plateformes moteurs. Un premier état des lieux indique que l’usage de modules Arduino Nano serait pertinent, leurs dimensions et caractéristiques répondant aux contraintes d’intégration et de performance. Leur déploiement sera effectué lors de la révision de l’implantation interne des armoires électriques.
Enfin, la refonte des PCB des borniers des deux armoires électriques sera également réalisée au cours de cette même phase de réaménagement interne.trique sera aussi mise en oeuvre lors de la reprise de l’implantation interne de ces deux armoires.
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L’ultime évolution du système électronique de commande des moteurs du pont élévateur du diorama de la Batcave est en cours de mise au point.
Le remplacement de 4 convertisseurs fréquence/tension par un microcontrôleur Arduino UNO pour le traitement des signaux issus des capteurs optiques des plateformes moteurs et la transmission de données vers la console de commande.
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Diorama
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Mai 2020
8:14
HD 1080p
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Ce diorama est une interprétation de la Batcave du film Batman de Tim Burton (1989). Tous les éléments de l’iconographie de ce mythe cinématographique sont repris ici.
Le diorama se compose d’une plateforme métallique imposante, surélevée, entourée de garde-corps, et intégrée dans un décor rocheux évoquant la texture brute, sombre et suintante de la caverne du film de Tim Burton. Au centre de la composition, une figurine de Bruce Wayne est assis face à des écrans dont l’agencement dans une esthétique rétro-futuriste fidèle à l’imaginaire du film, affichent des visages du Joker incarné par Jack Nicholson.
Sur la droite, une figurine d’Alfred Pennyworth tient l’ouverture d’une porte ouverte, laissant apparaitre le costume de Batman porté par Bruce Wayne dans le film. Au premier plan, sous un modèle réduit de la Batmobile du film est placée sur une plateforme circulaire massive et en surplomb, rappelant la scénographie du film dans laquelle la Batmobile, telle une relique sacrée trône au centre d’un sanctuaire.
Un seul élément de ce diorama n’est pas une référence directe au film de Tim Burton, même si son esthétique est très conforme à l’esprit de la Batmobile, le BatBoat placé sous la plateforme métallique.
La réalisation de ce diorama témoigne d’un remarquable travail d’interprétation esthétique de l’univers visuel de la Batcave de Tim Burton. Ce diorama parvient à condenser, à une échelle miniature, l’essence gothique, technologique et mélancolique du lieu emblématique. Le choix de positionner Bruce Wayne devant le BatComputer et Alfred près de la porte accentue la dimension narrative du diorama. Au delà de la référence à une scène du film, cette composition spatiale traduit le sentiment de solitude et la volonté de contrôle du personnage de Bruce Wayne incarné par Michael Keaton, et la présence bienveillante et domestique du personnage de Alfred Pennyworth, incarné par Michael Gough.
Les choix de la scénographie de ce diorama, traduisent donc une réflexion sur la symbolique explorée par le film, celle de la Batcave, non comme un simple espace fonctionnel, mais comme un théâtre intérieur, un prolongement matériel de la psyché de Bruce Wayne.
This diorama is an interpretation of the Batcave from Tim Burton’s 1989 film Batman. All the iconic elements of this cinematic legend are reproduced here.
The diorama consists of an imposing, raised metal platform, surrounded by guardrails, and integrated into a rocky setting evoking the raw, dark and oozing texture of the cavern in Tim Burton’s film. At the center of the composition, a Bruce Wayne figurine sits facing screens whose arrangement in a retro-futuristic aesthetic faithful to the imagery of the film, displaying faces of the Joker played by Jack Nicholson.
On the right, an Alfred Pennyworth figurine holds open a door, revealing the Batman costume worn by Bruce Wayne in the film. In the foreground, a scale model of the film’s Batmobile is placed on a massive, overhanging circular platform, reminiscent of the film’s set design, in which the Batmobile sits like a sacred relic at the center of a sanctuary.
Only one element of this diorama is not a direct reference to Tim Burton’s film, even if its aesthetic is very much in keeping with the spirit of the Batmobile, the BatBoat placed under the metal platform.
The creation of this diorama demonstrates a remarkable work of aesthetic interpretation of the visual universe of Tim Burton’s Batcave. This diorama manages to condense, on a miniature scale, the gothic, technological and melancholic essence of the emblematic place. The choice of positioning Bruce Wayne in front of the BatComputer and Alfred near the door accentuates the narrative dimension of the diorama. Beyond the reference to a scene from the film, this spatial composition translates the feeling of solitude and the desire for control of the character of Bruce Wayne played by Michael Keaton, and the benevolent and domestic presence of the character of Alfred Pennyworth, played by Michael Gough.
The choices of scenography for this diorama therefore reflect a reflection on the symbolism explored by the film, that of the Batcave, not as a simple functional space, but as an interior theatre, a material extension of Bruce Wayne’s psyche.
L’artiste ne donne aucune information concernant la figurines utilisée. Cependant la figurine représentant Bruce Wayne peut être identifiée comme étant la figurine Bruce Wayne Quick Change de la marque Kenner©️ éditée en 1990. Cette figurine de 4,5″ de hauteur, était vendue avec des accessoires pour transformer la figurine en Batman, qui ont été utilisés dans le diorama.
The artist does not provide any information regarding the figurine used. However, the Bruce Wayne figurine can be identified as the Kenner©️ Bruce Wayne Quick Change figurine released in 1990. This 4.5″ tall figurine was sold with accessories to transform the figurine into Batman, which were used in the diorama.
L’artiste ne donne aucune information concernant la figurine utilisée. Cependant, elle peut être identifiée comme la figurine Alfred Pennyworth de la marque Kenner ©️ éditée en 1990. Cette figurine de 4,5″ de hauteur, était vendue avec des accessoires qui n’apparaissent pas dans le diorama.
The artist does not provide any information regarding the figurine used. However, it can be identified as the Alfred Pennyworth figurine from Kenner ©️ released in 1990. This 4.5″ tall figurine was sold with accessories that do not appear in the diorama.
L’artiste ne donne aucune information concernant le modèle réduit utilisé.
The artist does not provide any information regarding the figurine used.
In this diorama, there is no integrated lights and no mobile element.
Cet article présente le premier prototype de l’électronique de commande du pont élévateur du diorama de la Batcave du projet BATLab112.… Lire la suite →
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Suite à la conception détaillée de l’électronique de commande du pont élévateur du diorama de la Batcave, l’objectif de ce prototype est de valider le principe de fonctionnement de cette électronique. Il s’agit dans un premier temps, de réaliser les prototypes des deux armoires électriques, contenant les montages électroniques de distribution de l’énergie électrique des moteurs et de mesures de leurs vitesses de rotation. Dans un deuxième temps, le câblage de ces armoires avec les plateformes moteurs et la console de commande, doit permettre de valider le fonctionnement global de ce système.
Ce prototype ne présente pas encore un niveau de finition abouti, compatible avec les ambitions de réalisme d’un diorama. La structure interne des deux armoires électriques principales est apparente, ainsi que celles des plateformes moteurs. Le câblage est très expérimentale et la console de commande est seulement simulée par un affichage sommaire sur un écran, même si des modèles opérationnels fonctionnent déjà pour la plateforme rotative et le pont roulant.
Initialement, ce prototype devait être mis en oeuvre en situation, au sein du diorama de la Batcave. L’intérêt premier était de bénéficier de la proximité du local électrique du diorama de la Batcave, pour alimenter en énergie électrique les différents sous-ensembles électroniques ; moteurs, armoires électriques … Le deuxième intérêt était de disposer de l’environnement opérationnel du diorama de la Batcave comme décor, dans les publications sur les réseaux sociaux faites sur l’avancement du projet.
Finalement, le prototype de ce système électronique est réalisé à part du diorama de la Batcave. La manipulation des différents composants électriques et mécaniques est ainsi rendue plus aisée lors des différentes modifications opérées pendant la mise au point. Sa mise en oeuvre dans une enceinte en carton a notamment permis d’améliorer la gestion du câblage grâce aux tubes en aluminium, sans pour autant avoir eu besoin de concevoir et de fabriquer une structure mécanique spécifiques.
Cette enceinte en carton a aussi servi d’arrière plan dans les mises en scène des publications sur les réseaux sociaux, présentant l’avancement de ce système.
Cette vidéo présente les différents éléments physiques de ce système électronique. Chaque élément est une reproduction à l’échelle 1/12 d’éléments réels d’un système électromécanique capable d’actionner les quatre axes d’un pont élévateur, pour une charge équivalente à celle de la Batmobile réelle d’une masse d’environ 4 tonnes. Cependant, une reproduction de l’aspect visuel et du fonctionnement d’origine de ces éléments électromécaniques réels n’est pas envisageable à cause des contraintes techniques induites par l’utilisation de technologies électroniques. Pour autant, l’architecture de ce système à l’échelle 1/12, le profil de chaque élément ainsi que leurs modes de fonctionnement restent très réaliste.
L’armoire électrique de gauche contient l’électronique de mesure de la fréquence de rotation des 4 moteurs, dont 4 cartes PCB manufacturées convertisseur de fréquence en tension.
L’armoire électrique de droite contient l’électronique de distribution de l’énergie électrique vers les 4 moteurs, dont 2 cartes PCB manufacturées d’un double Pont en H.
Les structures de ces deux armoires électriques sont toutes les deux identiques aux modèles opérationnels développés pour le poste électrique du diorama. Elles sont fabriquées par impression 3D ainsi que tous les supports internes de PCB et les chemin de câbles.
Cet article présente le premier modèle opérationnel du local électrique à l’échelle…
Les prototypes de 4 plateformes moteurs d’entrainement des 4 axes verticaux du pont élévateur ont été précédemment réalisés et testés mécaniquement et électriquement, mais sans être couplés avec les axes du pont élévateurs.
Cet article présente le premier prototype des plateformes de motorisation des axes du pont…
La console de commande est réduite à une simple maquette électronique et d’une carte Arduino Mega, équipée d’un écran 2,8″. La partie gauche de la plaque de prototypage supporte le montage électronique d’un générateur de signal carré, cadencé à une fréquence de 2Hz, servant de signal d’horloge pour l’échantillonnage des mesures et de leurs affichages. La partie de droite, supporte deux switches pour piloter le sens de rotation des moteurs, ainsi que le montage électronique d’un générateur de signal carré, dont la variation du rapport cyclique commande la variation de vitesse de rotation.
Ce premier modèle opérationnel de la console de commande permettant de piloter les équipements…
Le câblage est très expérimentale. Il n’a fait l’objet d’aucune conception en amont. Le câblage est réalisé à partir de câbles électriques issus de récupération, équipés de connecteurs de type Jack Audio 3,5 mm.
L’aspect expérimentale se justifie par le fait qu’il est toujours difficile d’anticiper le volume occupé par les câbles particulièrement en interne des armoires. Modéliser ce câblage lors de la phase de conception serait très chronophage. De plus, la modélisation du câblage aurait imposée de modéliser la structure supportant le câblage, ce qui aurait encore ajouter à l’aspect chronophage de cette tâche.
Cet article présente le premier modèle opérationnel du local électrique à l’échelle 1/12 du…
La vidéo présente le principe de fonctionnement général de ce système électronique. Elle met en évidence la commande du sens de rotation des 4 moteurs, par l’intermédiaire de la combinaison des deux switches de la console de commande, ainsi que des PCB des doubles Ponts en H installés dans l’armoire électrique de contrôle de l’alimentation électrique des moteurs. La vidéo présente aussi la relation entre le rapport cyclique du signal carré issu de la console de commandes et la vitesse de rotation des moteurs.
Le fonctionnement général du système électronique, de commandes et de mesures de la fréquence de rotation des moteurs du pont élévateur, tel qu’il a été conçu, est opérationnel. Cependant, il reste des points d’amélioration importants tant sur le plan fonctionnel que sur le plan esthétique.
Sur le plan esthétique, au-delà de l’absence d’habillage des armoires électriques qui fera l’objet d’une mise en oeuvre ultérieure, les PCB supportant les fonctions de bornier de raccordement dans les deux armoires électriques, ainsi que le câblage interne de l’armoire électrique de mesure, présentes des stigmates de leur manipulation intensive lors de la phase de mise ou point. Ces PCB utilisent des connecteurs de petite taille, ne leur permettant pas de proposer un boitier mécanique suffisamment robuste pour encaisser les torsions induites par l’action des tournevis sur les vis.
Ce type d’inconvénient a déjà été rencontrés pour les connecteurs des PCB contenus dans les armoires de raccordement électrique des plateformes moteurs. Des pièces fabriquées par impression 3D ont alors permis de solidariser plusieurs connecteurs entre eux, améliorant ainsi leur rigidité mais aussi leur esthétique générale pour tendre vers un rendu plus réaliste.
Si l’aspect du câblage externe des armoires électriques parait si anarchique (voir Photo extrait n°004), c’est la conséquence directe d’une part d’une absence préalable de conception et d’autre part d’une démarche expérimentale dans sa mise en oeuvre afin de tester différents types de connecteurs.
Par contre l’encombrement du câblage interne des armoires électriques a visiblement était sous dimensionné dans la phase de conception. Ce défaut est amplifié par un sous dimensionnement de la fonction de bornier des PCB spécifiquement conçus pour cela.
Sur le plan fonctionnel, ce prototype permet de mettre en évidence les limites techniques des quatre convertisseurs de fréquences en tension, utilisé dans l’armoire électrique n°1, pour servir d’interface entre les plateformes moteurs et la console de commandes. Même si le besoin n’est pas d’obtenir une valeur reflétant précisément une fréquence de rotation, pour autant il est important que chaque évolution de la vitesse de rotation de chaque moteur puisse être décelée pour éviter un blocage du pont élévateur. Les fréquences relativement basses de rotation des moteurs (inférieure à 500Hz) induisent des variations de tensions en sorties des convertisseurs, inférieurs à 50 mV. L’électronique d’acquisition, de transmission et de traitement de ces signaux de faibles amplitudes, induit des taux d’erreur trop important pour considérer son fonctionnement comme suffisamment fiable pour prévenir un blocage du pont élévateur.
Par conséquent, ces PCB de conversions des signaux de fréquences en tension doivent être remplacés par d’autres dispositifs, avec un impact le plus réduit possible, sur la conception générale du système électronique global.
Compte tenu de l’analyse précédente, et de la préparation de l’intégration de ce système dans le diorama de la Batcave, des modifications doivent être apportées sur certains éléments.
Cette action est certainement la plus déterminante des modifications à apporter. L’objectif est de proposer des modules dont l’évolution de l’amplitude des signaux de tension en sortie soit significative pour en obtenir des mesures fiables. La solution consistant à concevoir, puis réaliser des PCB sur mesure convertisseur de fréquence en tension, a déjà été écartée depuis la conception détaillée de ce système électronique, pour des raisons de temps et de qualité de réalisation. Il reste donc deux pistes de réflexion à l’étude. La première consiste à reprendre une phase de recherche de PCB manufacturés plus adaptés aux fréquences du système. La deuxième consiste à remplacer les PCB dédiés à cette fonction par des éléments plus génériques mais programmables, comme par exemple des cartes Arduino.
Quelque soit la solution de remplacement qui sera choisie, il parait incontournable de prévoir aussi une modification des PCB servant de Bornier de raccordement électrique de ces modules dans l’armoire électrique concernée.
Une phase de conception complémentaire doit être mise en oeuvre pour cela.
La solution a déjà été évoquée et mise en oeuvre dans les armoires de raccordement électrique des plateformes moteurs. Il s’agit de concevoir et d’imprimer en 3D des pièces reproduisant la fonction de sabot de charpente. Ces pièces permettent tout d’abord un regroupement visuel de plusieurs composants électroniques, sous ensembles d’une même fonction. De plus, ces pièces assurent une meilleure rigidité mécanique de l’ensemble qu’elles forment avec les connecteurs et évitent ainsi les déformations liées à la torsion de l’action du tournevis sur les vis de serrage.
Une phase de conception complémentaire doit être mise en oeuvre pour cela.
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Détail du garde-corps à l’échelle 1/12 du poste électrique du diorama de la Batcave .
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