Construire un robot Mecanum qui roule de côté

Ce que vous construisez

Un robot à quatre roues capable de se déplacer dans toute direction au sol sans d’abord tourner, et capable de tourner sans changer où il va. Poussez-le latéralement dans une allée où il tient à peine ; gardez une caméra pointée sur quelque chose en l’orbitant ; corrigez 3 cm d’écart à une ligne en faisant 3 cm de côté, au lieu de sortir en arc et de revenir en arc.

C’est le premier robot de ce site avec trois vitesses indépendamment contrôlables au lieu de deux. C’est aussi le premier dont la transmission est vraiment plus dure que ses capteurs, et c’est pourquoi presque tout le montage est moteurs, codeurs et boucles de commande.

Le test de réception est délibérément brutal : roulez un carré de 1 m en latéral, et rentrez à 5 cm avec le cap inchangé. Aucun robot différentiel ne peut même tenter ce test.

Le nombre qui pilote le projet

Tout sur ce montage revient à une constante :

k = lx + ly

où lx est la moitié de l’empattement (essieu avant à essieu arrière, divisé par deux) et ly la moitié de la voie (roues gauches à roues droites, divisé par deux). Sur le montage de référence, 75 mm et 85 mm, donc k = 0,160 m.

Ce seul nombre couple la rotation aux roues. Faux, le robot roule quand même — mais une commande de rotation pure dérive au sol, et un latéral pur se courbe, car rotation et translation se mélangent. Mesurez de centre de roue à centre de roue, pas la plaque de châssis, généralement plus large que vous pensez.

Les autres nombres à écrire au marqueur sur le châssis avant de commencer :

Nomenclature

£90–170 au total. Les roues et le quadruple de moteurs sont là où les £50 d’un robot deux roues deviennent ceci.

Comment tout se relie

        2S LiPo ──┬── 470 µF ── TB6612FNG #1 ── FL motor ── FL encoder ─┐
                  │                         └── FR motor ── FR encoder ─┤
                  ├── 470 µF ── TB6612FNG #2 ── RL motor ── RL encoder ─┼── ESP32
                  │                         └── RR motor ── RR encoder ─┘   (4 PWM,
                  └── 5 V BEC ──────────────────────────────── ESP32 ──────  8 GPIO,
                                                                   │         I²C)
                                                   MPU6050 ── I²C ─┘

Trois décisions de câblage pas évidentes :

• L’ESP32 a son propre régulateur. Quatre moteurs qui démarrent ensemble font chuter le pack fort, et un contrôleur partageant ce rail fait une microcoupure et redémarre en pleine commande. Cela ressemble exactement à un crash de micrologiciel. Lisez le tutoriel de budget puissance avant d’accuser votre code.
• Un condensateur bulk sur chaque pilote. 470 µF près de la carte. Les ponts en H tirent par rafales et l’inductance des fils transforme ces rafales en pics.
• La centrale va sur l’axe, à plat, et aussi loin des moteurs que la plaque permet. La dérive de lacet est déjà assez mauvaise sans un champ magnétique de quatre moteurs dedans.

Construisez par étapes

Chacune a un test. Ne reportez pas un échec — sur un robot à quatre moteurs ils se multiplient.

1. Roues montées, et le contrôle en X

Vissez les quatre roues et placez-vous juste au-dessus du robot. Suivez la ligne des rouleaux visibles sur le dessus de chaque roue.

Test : ces quatre lignes visent le milieu du robot et dessinent un X. Si elles dessinent un losange, échangez deux roues en diagonale. Réussi : un X. C’est un contrôle de cinq secondes qui économise une journée.

2. Chaque moteur individuellement

Câblez les quatre, et écrivez un croquis qui pilote une roue à la fois à 40 % pendant une seconde.

Test : appelez chacune et confirmez que la bonne roue tourne dans le bon sens. Réussi : quatre roues, quatre bons sens, aucune paire échangée. Corrigez le câblage en matériel, pas avec des signes moins dans le code — vous perdrez le fil.

3. Codeurs

Un tour de chaque roue, tournée à la main.

Test : affichez le compte. Réussi : à 2 % près de 1440, et positif quand la roue tourne en avant. Un compte qui saute ou part en arrière signifie que vous interrompez sur un canal au lieu de deux, ou que vous lisez un volatile long sans couper les interruptions.

4. Cinématique sur cales

Mettez le robot sur cales et commandez un latéral pur.

Test : les paires diagonales s’opposent — avant-gauche et arrière-droit vont d’un côté, avant-droit et arrière-gauche de l’autre. Réussi : exactement ce motif. Puis commandez une rotation pure : côté gauche d’un côté, côté droit de l’autre. Si une roue désobéit, elle est dans le mauvais coin et l’étape 1 vous a menti.

5. Une boucle de vitesse

Réglez l’anticipation puis le PI sur une seule roue, sur cales, puis en charge.

Test : commandez 0,3 m/s et appuyez un doigt sur le pneu. Réussi : la vitesse tient et le PWM monte visiblement. Faites-le une fois correctement ; les trois autres sont des copies avec leurs propres kS et kV.

6. Les quatre, ligne droite

Quatre boucles, 100 Hz, au sol. Roulez 3 m droit.

Test : mesurez la dérive latérale à la fin. Réussi : moins de 20 mm, et répétable sur trois parcours. En boucle ouverte c’est typiquement 80–200 mm et différent à chaque fois.

7. Latéral 1 m

Test : roulez exactement un mètre de côté et mesurez la distance et le changement de cap. Réussi : à 5 cm près, cap à 3° près. Une courbe systématique signifie une constante k fausse ; une aléatoire signifie une boucle de vitesse qui ne tient pas.

8. Centrale et orienté terrain

Calibrez le biais au démarrage, ajoutez le bouton de reset de cap.

Test : tenez le manche en avant et tournez le robot à la main sur un tour complet. Réussi : il garde la même direction au sol. À l’arrêt, le lacet dérive de moins de 3° par minute.

9. Le carré

Le test de réception. Roulez 1 m en avant, 1 m à droite, 1 m en arrière, 1 m à gauche, sans aucune rotation commandée.

Test : distance au point de départ, et changement de cap. Réussi : à 5 cm et 3° près.

À quoi ressemble un bon résultat

Cette dernière ligne est honnête plutôt que décevante. Sur cette transmission le patinage des rouleaux est le mécanisme, donc l’odométrie est le nombre le plus faible du robot même quand tout marche. Intégrez l’attente plutôt que de la pourchasser.

Notes matérielles importantes

La latéralité des roues est une propriété du kit. Deux unités commandées séparément sur la même annonce sont très souvent de la même main. Vérifiez avant de percer quoi que ce soit.

Chaque rouleau doit tourner librement. Faites tourner chacun à la main avant de monter les roues. Un rouleau grippé transforme ce coin en roue ordinaire pointée à 45°, par intermittence, ce qui se lit exactement comme un bug logiciel.

Les roues Mecanum sont lourdes. 180–400 g chacune, donc jusqu’à 1,6 kg de robot en roues, et c’est de la masse tournante aux bouts des bras de levier. Cela rend le robot pataud et c’est pourquoi le plafond d’accélération compte.

Le sol est un composant. Béton poli et vinyle sont autour de μ = 0,8. Un sol de gym poussiéreux, une couche de laque utilisée sur un autre robot, ou un joint dans le lino le divisera localement par deux, et le robot changera de comportement en le traversant. Regardez ce que fait μ = 0,25 avant d’accuser le réglage.

Quand ça tourne mal

Pour aller plus loin

Roues libres. Deux ou trois roues omnidirectionnelles non motrices sur suspensions à ressort, avec leurs propres codeurs. Elles ne portent aucun couple donc ne patinent pas, et elles transforment le pire nombre de ce robot en meilleur.

Suivi de trajectoire holonome. La poursuite pure et Stanley supposent un robot qui dirige. Une base qui va de côté peut mieux faire — suivez la position sur trajectoire et le cap indépendamment, car vous avez des actionneurs séparés pour eux.

Une caméra sur une base qui tient le cap. L’association naturelle : une chaîne de vision est bien plus facile quand la caméra peut rester pointée sur la cible pendant que la base se repositionne. C’est à cela que sert vraiment la conduite holonome.

ROS 2. Cette transmission est la première ici où le linear.y de cmd_vel — explicitement ignoré par un robot différentiel — signifie enfin quelque chose. Échanger la fonction torsion-vers-roues contre la version Mecanum à quatre lignes représente l’essentiel du travail.