2WD Robot Chassis

Présentation

Le châssis est le corps du robot — le plateau plat qui porte tout le reste. Un châssis 2WD (« deux roues motrices ») porte deux roues motrices, chacune sur son propre moto-réducteur TT, et une seule roulette libre pour l’équilibre. Ajoutez une batterie, une carte de puissance et un contrôleur, et le plateau devient un robot capable d’avancer et de tourner.

Cela semble être la partie ennuyeuse, mais le châssis détermine discrètement le comportement de tout le robot : où se trouve le poids, comment il tourne, et d’où les capteurs peuvent voir.

Fonctionnement

Une base 2WD dirige par conduite différentielle : il n’y a pas de volant, le robot tourne donc en entraînant ses deux roues à des vitesses différentes. Les deux roues vers l’avant à la même vitesse font avancer en ligne droite ; ralentir ou inverser une roue fait décrire une courbe au robot ou le fait pivoter sur place. La roulette libre suit simplement le mouvement et maintient le plateau horizontal — elle n’entraîne ni ne dirige. Les mathématiques qui convertissent les vitesses des roues en mouvement sont expliquées dans l’odométrie en conduite différentielle.

Comme les deux roues motrices se trouvent sur une même ligne d’essieu, le robot pivote autour du point central entre elles. Placer la roulette à l’arrière et le capteur à l’avant rend ce pivot prévisible.

Quand l’utiliser

Un châssis 2WD est la bonne base pour pratiquement tout premier robot : les suiveurs de ligne, les éviteurs d’obstacles et les robots labyrinthe commencent tous ici. Il rend la mécanique triviale pour que vous puissiez consacrer vos efforts à la détection et à la boucle de commande.

Choisissez autre chose lorsque le robot doit porter une charge réelle, grimper ou rouler sur un terrain accidenté — un châssis 4WD ou à chenilles avec des moteurs à engrenages métalliques justifie alors son surcoût et sa complexité.

Choix et montage

• 2WD plutôt que 4WD pour commencer. Une roulette évite le ripage des quatre roues fixes et rend propre la rotation sur place.
• Gardez le poids sur les roues motrices. La traction vient de la charge sur les pneus ; un robot lourd de l’avant patine. Montez la batterie près de la ligne d’essieu.
• Laissez la baie avant libre. Réservez l’emplacement avant au capteur ultrason et à son servomoteur, bas et dégagé, pour que rien ne bloque le faisceau.
• Éloignez les câbles des roues. Rangez les fils des moteurs et des capteurs pour qu’ils ne puissent pas toucher un pneu en rotation — une panne étonnamment fréquente au premier essai.

La géométrie qui détermine le comportement de votre robot

Trois mesures sur un châssis déterminent presque tout de la conduite du robot fini. Mesurez le vôtre et notez-les — chaque code de navigation en a besoin.

L’empattement est celui que l’on ne mesure jamais et dont on a toujours besoin :

turn rate (rad/s) = (v_right - v_left) / wheelbase
distance per pivot degree = pi x wheelbase / 360

Pour un empattement de 140 mm, un pivot de 90° signifie que chaque roue parcourt pi × 140 / 4 = 110 mm en sens opposés. Avec 10 mm d’erreur sur l’empattement, chaque virage est faussé de 7 % — ce qui ressemble à un contrôleur mal réglé alors qu’il s’agit en fait d’un problème de mètre ruban.

Mesurez jusqu’au centre de la zone de contact du pneu, et non jusqu’à l’extérieur des roues ni aux trous de fixation du moteur. Sur une roue de 65 mm avec un pneu de 25 mm de large, cela fait 25 mm d’écart entre les cotes extérieur-à-extérieur et centre-à-centre, et 25 mm sur un empattement de 140 mm représentent 18 %.

Répartition du poids

La traction est proportionnelle à la charge sur les pneus moteurs, et un châssis 2WD répartit cette charge selon l’endroit où vous fixez les éléments.

La batterie est généralement l’élément le plus lourd, souvent plus que tout le reste réuni, donc l’emplacement de la batterie définit la répartition du poids. Montez-la sur la ligne d’essieu ou légèrement en avant — en avant, parce que la roulette est derrière, et vous voulez que le plateau repose sur la roulette plutôt que de basculer.

Il existe une exception à connaître. Un robot qui doit pousser — un mini sumo, par exemple — veut autant de poids que possible sur les roues motrices, jusqu’au point où la roulette touche à peine. Un robot qui doit suivre une ligne avec précision veut l’inverse : stable, prévisible, avec le réseau de capteurs maintenu à hauteur constante, ce qu’un châssis qui bascule ne fera pas.

Où monter les capteurs

Le placement de l’IMU est le point subtil. Un accéléromètre monté bien en avant du centre de pivot subit une accélération centripète pendant un virage, et un filtre complémentaire l’interprétera comme une inclinaison. Le monter sur la ligne d’essieu minimise cet effet.

La hauteur de l’ultrason compte plus que prévu : avec un cône à 15° de demi-angle, un capteur monté à 40 mm au-dessus du plateau et regardant vers l’avant commencera à voir le plateau lui-même à environ 150 mm — signalant un obstacle permanent qui est votre propre robot.

Le problème de la roulette

La roulette libre est la pièce la moins chère du châssis et la source la plus fréquente d’erreurs de direction mystérieuses.

Une roulette pivotante doit tourner pour faire face à la nouvelle direction chaque fois que le robot change de direction, et pendant ce temps elle traîne latéralement. Cette traînée est une force sur un coin du robot, qui le dévie de sa trajectoire — et cela se produit à chaque changement de direction, donc l’erreur est systématique plutôt qu’aléatoire. Cela se traduit par un robot qui suit bien une ligne droite et rate systématiquement les virages.

Une roulette à bille n’a pas ce pivot et roule simplement dans toutes les directions. Elle est moins bonne sur la moquette, où la bille s’enfonce, et meilleure sur les sols lisses.

Deux notes pratiques. Une roulette, pas deux — trois points de contact définissent un plan et sont toujours stables, tandis que quatre points sur un plateau rigide basculeront. Et si le robot doit reculer, une roulette pivotante doit d’abord pivoter de 180°, ce qui dirige brièvement le robot ; les robots qui reculent après un obstacle dévient souvent pour cette seule raison.

Pièges de montage

Ce sont ceux qui coûtent le plus de temps à un premier montage.

Montez d’abord les moteurs. Ils sont les plus difficiles à atteindre une fois le plateau peuplé, et les vis de fixation de la plupart des kits sont prisonnières entre le moteur et le plateau.

Vérifiez que les roues sont droites. Une roue enfoncée de travers — très facile avec l’alésage double-D — voile, ce qui modifie le rayon de roulement effectif à chaque rotation. Le robot ondule alors à une fréquence liée à la rotation des roues, ce qui ressemble à un contrôleur oscillant.

Éloignez d’abord les câbles des roues, pas en dernier. Attaches à travers la grille de fixation du plateau, avant que le plateau soit encombré. Un fil moteur qui atteint un pneu en rotation est dénudé en quelques secondes, et c’est l’une des pannes les plus fréquentes au premier essai.

Laissez le film de protection de l’acrylique jusqu’à la fin du montage. Il se raye facilement, et le film empêche aussi le foret d’écailler les bords des trous de fixation.

Ne serrez pas trop l’acrylique. Il se fissure autour des trous sous charge, en particulier aux supports moteur où se trouvent les vibrations. Rondelles nylon et serrage à la main plus un quart de tour.

Dépannage

2WD ou autre chose ?

Commencez avec un 2WD, et la raison est l’odométrie plutôt que la mécanique. Une conduite différentielle à deux roues avec une roulette libre a un modèle cinématique propre : les roues roulent sans riper, donc les impulsions d’encodeur se convertissent en position avec seulement les erreurs attendues. Un châssis 4WD avec quatre roues fixes doit riper à chaque virage, car les roues de chaque côté suivent des arcs différents tout en étant forcées de tourner à la même vitesse — son odométrie est donc fausse dès le premier virage, d’une manière difficile à modéliser.

Cela fait du 2WD non seulement le point de départ le plus simple mais aussi le bon pour apprendre : c’est la disposition sur laquelle l’odométrie en conduite différentielle fonctionne vraiment.