Avec la sortie de la carte Sense Hat (anciennement Astro Pi) la Fondation fait un pas vers les étoiles.
C’est chez Kubii que j’ai trouvé ma Sense Hat. Le paquet est arrivé rapidement et dès sa réception j’ai voulu tester cette nouveauté.
La Sense Hat partira vers l’ISS avec le Raspberry Pi chargé de mettre en application les expériences proposées par les écoliers, collégiens et lycéens anglais. C’est Tim Peake, l’astronaute anglais de l’ESA qui sera chargé de la mise en œuvre de l’ensemble Raspberry Pi + Sense Hat dans l’ISS.

Sense Hat dans l’espace

Sense Hat : Le grand Déballage (Out of the box)

L’emballage annonce la couleur et un dessin de la Sense Hat figure sur la face avant de la boîte

A l’arrière sont résumées les principales caractéristiques et compatibilités.

Pas de surprise à l’ouverture, la carte est protégée par un sachet antistatique. A charge pour vous de la préserver des décharges d’électricité statique si vous voulez la conserver en bonne santé…  (préférez le slip en coton au slip en lycra 😉 )

Allez, cadeau ! la carte Sense Hat sous tous les angles…

Un dépliant rappelle les précautions d’emploi liées à la mise en service de la carte. Prenez garde en particulier à l’échauffement provoqué par les LED lorsqu’elles fonctionnent.

Les capteurs de la Sense Hat

Pitch, Yaw, Roll

La carte est équipée d’accéléromètres et de gyroscopes réalisés en nano-technologie, qui enregistrent les mouvements selon les 3 axes Pitch, Yaw et Roll. Si ça ne vous parle pas, le schéma ci-dessous devrait vous éclairer 😉

Pitch (tangage) est l’inclinaison que prend l’avion lorsqu’il monte ou descend, Roll (roulis) indique que l’appareil penche à droite ou à gauche autour de l’axe rouge, enfin Yaw (lacet) indique que l’appareil tourne vers la droite ou vers la gauche autour de l’axe vert.

La carte doit être placée en concordance pour que les 3 axes coïncident.

Les capteurs I²C

La carte est équipée d’un certain nombre de capteurs auxquels le RasPi accède via le bus I2C.

On trouve les circuits suivants :

Centrale inertielle

• Capteur de mesure inertielle : ST LSM9DS1. Ce circuit comporte un accéléromètre 3D, un gyroscope 3D et un magnétomètre 3D combinés dans une seule puce.
  
  

  Accéléromètre en nanotechnologie. On distingue la masse inertielle centrale suspendue par 4 ressorts.

  
  Le LSM9DS1 peut mesurer des accélérations de ±2g/±4g/±8g/±16g, un champ magnétique de ±4/±8/±12/±16 gauss ainsi qu’une vitesse angulaire de ±245/±500/±2000 degrés/seconde. Il est donc capable de fournir des informations de tangage, roulis et lacet sur les mouvements qu’il subit.

  

  Gyroscope en nanotechnologie.La masse centrale est suspendue par un système de ressorts. Notez l’échelle de 200µm en bas de l’image.

  Dans l’espace il donnera donc des information sur l’ISS elle-même et pourra également être utilisé pour détecter quand les fusées d’appoint de l’ISS seront actionnées.
  
  

Le dessous des choses

Le dessous de la carte ne comporte aucun composant, juste des points tests qu’il faudra éviter de mettre en contact avec des objets métalliques. Vous verrez dans la vidéo que cette configuration permet de monter la carte Sense Hat sur un HMIPI sans que cela ne pose problème.

Capteur de pression et température

• Capteur de pression barométrique et capteur de température : ST LPS25H. Ce circuit peut mesurer une pression absolue comprise entre 260 et 1260 hPa avec une précision d’1Pa. Il intègre une compensation de la température et un convertisseur analogique-numérique 24 bits. Il peut donner la pression atmosphérique en pascals ou en millibars, ainsi que la température en °C. (pour les plus observateurs je confirme l’orthographe de pascal avec une minuscule…).
  
  

  On distingue mieux les ouvertures permettant les mesures de pression et d’humidité sur cette vue (Cliquez pour agrandir)

  Capteur d’humidité et de température

• Capteur d’humidité relative et capteur de température: ST HTS221. Ce capteur fournit le pourcentage d’humidité relative ainsi que la température en degrés centigrades. Le capteur est assez sensible pour détecter la vapeur d’eau contenue dans l’haleine humaine de sorte qu’il sera possible de détecter la présence de l’équipage lorsqu’il travaillera près de l’Astro Pi. Il peut mesure l’humidité relative de 0 à 100% avec une précision de 4,5% entre 20% et 80% d’humidité relative. Le capteur est calibré à la fabrication et les corrections sont stockées dans des registres internes.
  Il mesure la température avec une précision de ±0,5°C entre 15 et 40°C. Néanmoins, les mesures de température sur cette carte sont à considérer avec méfiance dans la mesure ou l’échauffement des composants (en particulier lorsque les LED fonctionnent) provoque une élévation de la température ambiante à proximité de la carte…
  

Le joystick (bâton de joie ?)

Le joystick est un modèle CMS (composant monté en surface). Il dispose de 5 contacts : Haut, bas, droite, gauche et clic vertical. C’est un modèle Alps SKRHABE010. Il pourra émuler les touches de direction du clavier et la touche Entrée avec le clic central. Il est accessible via le système standard de gestion des événement Linux /dev/input/event*

Atmel Tiny88

La gestion de la matrice de LED et du joystick ont été délégués à un micro-contrôleur ATMEL Tiny88.

La matrice de LED est pilotée par une combinaison formée d’un pilote de LED à courant constant (un LED2472G) et d’un ATTiny88 Atmel exécutant un firmware « maison » qui gère l’affichage 8×8 en RVB avec une résolution de 15 bits. Si vous voulez vous faire mal à la tête, le firmware AVR est disponible sur Github.

L’ATTiny88 est également chargé de gérer le joystick (faut bien qu’il bosse un peu). Il n’y avait pas assez de connexions disponibles sur le micro-contrôleur Atmel pour en dédier cinq à la gestion du joystick. Du coup le joystick a été intégré à la matrice de LED qui est balayée à environ 80 Hz. C’est donc à cette fréquence que les informations du joystick sont lues.

Tous les capteurs (et le firmware de base pour l’Atmel) sont accessibles à partir du Raspberry Pi via le bus I2C. Et vous avez même un bonus ! Juste pour le « fun », le bus SPI du micro-contrôleur Atmel a été relié au bus SPI du RasPi ! Vous pouvez reprogrammer votre carte Hat à la volée ! C’est la méthode utilisée pour envoyer le firmware dans l’Atmel lors des tests en production – et il n’y a aucune protection de sorte que vous pouvez remplacer le firmware d’origine pour lui faire faire ce que vous voulez. Sérieusement. La première personne qui réussira à transformer cette carte HAT en contrôleur de vol pour un quadcopter gagnera… toute ma considération 😉

Schéma

Si vous voulez découvrir le schéma de la carte, celui-ci est disponible en ligne…

Quelques exemples d’utilisation

Vous aurez une illustration de certains tests dans la vidéo en fin d’article. Mais voici quelques exemples de programmes utilisant la bibliothèque SenseHat. L’installation se résume à la bibliothèque sense-hat et à pillow (Python Imaging Library).

Vous trouverez toute l’information souhaitée sur la page de référence consacrée à l’API Sense Hat.

Installation de la bibliothèque SenseHat

sudo apt-get update
sudo apt-get install sense-hat
sudo pip-3.2 install pillow

Mesure de température – Affichage écran

La mesure de température utilise un sense.get_temperature() suivi d’un envoi à l’écran de la valeur lue…
sense.clear() met toutes les LED à la même couleur. Sans paramètre la couleur est 0 (toutes les LED sont éteintes).

from sense_hat import SenseHat

sense = SenseHat()
sense.clear()

temp = sense.get_temperature()
print(temp)

Mesure de température – Affichage LED

Ah ! Là si vous voulez voir ce que ça donne, il faudra regarder la vidéo un peu plus bas sur la page.

from sense_hat import SenseHat

sense = SenseHat()
sense.clear()

tmax = 35
tmin = tmax - 8

while True:
    temp = sense.get_temperature()
    print(temp)
    temp = int(temp) - tmin
    for x in range(0, 8):
        for y in range(0, temp):
            sense.set_pixel(x, y, 255, 0, 0)
        for y in range(temp, 8):
            sense.set_pixel(x, y, 0, 0, 0)

Mesure de pression – Affichage écran

Ce programme utilise le capteur de pression pour afficher la pression atmosphérique absolue en hPa.

from sense_hat import SenseHat
sense = SenseHat()
sense.clear()
while True:
    pressure = sense.get_pressure()
    pressure = round(pressure, 1)
    print(pressure)

Mesure d’humidité – Affichage écran

De la même manière, vous pourrez interroger le capteur d’humidité pour afficher la valeur de l’humidité relative.

Oui, je sais, il n’y a pas le programme, mais bon, vous allez peut-être bosser un peu aussi, non ? 😉

Mesure accéléromètre – Affichage écran

Ici on va afficher les informations fournies par la centrale inertielle. Il existe de nombreuses possibilités de les exploiter, depuis le mode brut jusqu’à un mode combinant les informations des différents capteurs.

from sense_hat import SenseHat
sense = SenseHat()
sense.clear()
while True:
    accel_only = sense.get_accelerometer()
    print("p: {pitch}, r: {roll}, y: {yaw}".format(**accel_only))

Vidéo

Conclusion

Une carte « officielle » pleine de possibilités, en particulier grâce au capteur regroupant accéléromètre, gyroscope et magnétomètre. Les LED permettent un affichage directement sur le Raspberry Pi, soit sous forme de points individuels ou de barres, éventuellement animées. Un regret cependant, celui de ne pas avoir trouvé dans la boîte les entretoises et la visserie permettant de solidariser la Sense Hat et le Raspberry Pi sur lequel elle est montée.

La programmation en Python est on ne peut plus simple avec l’utilisation de la bibliothèque Sense HAT.

Je voudrais souligner le travail formidable de traduction de la documentation de la Sense Hat réalisé par Dominique sur son wiki. Tout  n’est pas encore traduit mais une grande partie de la documentation est disponible en français.

Pour ma part je vais continuer à découvrir les possibilités de cette petite carte pleine de ressources. L’objectif serait à terme de remplacer la carte de commande de vol d’un drone (une CC3D) par un RasPi et la Sense Hat pour voir ce que ça donne… Mais ça… c’est une autre histoire !

Comme d’habitude vous trouverez ci-dessous des liens vers de la lecture pour occuper vos longues soirées d’hiver… 😉

Sources

• http://www.kubii.fr/1081-raspberry-pi-sense-hat-640522710799.html
• https://www.raspberrypi.org/blog/the-sense-hat-headgear-for-the-terminally-curious/
• https://www.raspberrypi.org/products/sense-hat/
• http://astro-pi.org/hardware/
• https://www.raspberrypi.org/blog/astro-pi-tech-specs/
• https://www.raspberrypi.org/blog/buy-the-sense-hat-as-seen-in-space/
• http://mchobby.be/wiki/index.php?title=RASP-SENSE-HAT-ASTRO-PI-D%C3%A9buter
• http://www.medicaldesignandoutsourcing.com/the-raspberry-pi-eco-system-goes-interstellar-with-the-new-raspberry-pi-sense-hat/
• https://github.com/bennuttall/sense-hat-examples
• https://www.raspberrypi.org/learning/astro-pi-guide/
• https://www.raspberrypi.org/products/sense-hat/
• https://www.raspberrypi.org/learning/astro-pi-guide/sensors/movement.md
• https://www.raspberrypi.org/learning/getting-started-with-the-sense-hat/worksheet/
• http://pythonhosted.org/sense-hat/
• https://www.youtube.com/user/ee292l