Construire un mini robot sumo : adhérence et coin

Ce que vous construisez

Deux robots, un ring, aucun capteur pointé sur autre chose que l’autre et le sol. Celui encore dedans à la fin gagne.

C’est l’objectif le plus simple de ce site et ce n’est pas le projet facile qu’il semble, car le sumo est le seul robot où la mécanique décide du résultat et le code doit seulement ne pas le gâcher. Tous les autres montages ici récompensent de meilleurs algorithmes. Celui-ci récompense un coin plus affûté.

Cette inversion vaut d’être vécue une fois. C’est aussi pourquoi l’ordre de montage ci-dessous passe sa première journée sur l’arithmétique et sa dernière sur le comportement, l’inverse de la façon dont la plupart commencent.

Les trois nombres qui le décident

La poussée est de 5,9 N, et vos moteurs pourraient faire 25 N. Un robot 500 g sur pneus silicone est limité par l’adhérence d’un facteur quatre. La transmission n’est pas la contrainte et ne le sera jamais, donc construisez à la limite de poids, mettez chaque gramme sur les roues motrices, et dépensez le budget moteur en réduction plutôt qu’en puissance.

Un coin qui soulève 40 % de l’adversaire vous donne 2,3× sa poussée. Le poids retiré atterrit sur vous, donc le rapport est (1+f)/(1−f) et il grimpe vite. Aucun autre changement unique n’en approche.

Vous pouvez rouler à environ 0,8 m/s. Non parce que les moteurs s’épuisent, mais parce que 25 mm de bordure plus 25 ms de latence sont toute la place d’arrêt disponible. La plupart des premiers robots sont conçus pour le double et perdent contre le bord, pas l’adversaire.

Ces trois phrases sont toute la conception. Tout ci-dessous explique comment les atteindre.

Nomenclature

Le mini sumo a une catégorie formelle : empreinte 10 × 10 cm au départ, 500 g maximum, sur un ring 77 cm avec une bordure blanche 2,5 cm. Les règles façonnent la liste de montage.

Total : environ $65–90.

Deux notes qui décident des matchs plutôt que de simplement marcher.

Le poids va sur les roues motrices, jusqu’à la limite. La poussée est du frottement, et le frottement est le coefficient fois la charge normale. Chaque gramme pas sur un pneu moteur est gaspillé, et c’est pourquoi les robots sumo visent exactement 500 g et en mettent presque tout sur deux roues.

Les pneus comptent plus que les moteurs. Un robot qui a atteint sa limite d’adhérence ne gagne rien à plus de couple — les roues patinent simplement. Passer du plastique dur (µ ≈ 0,4) au silicone (µ ≈ 1,2 ou mieux) triple à peu près la poussée disponible pour cinq dollars, ce qu’aucune amélioration moteur ne peut égaler.

Ordre de montage

1 — Décidez d’abord masse et pneus. Ils fixent votre poussée avant qu’une ligne de code existe. Visez la limite 500 g, avec la masse basse et sur les roues motrices ; utilisez des pneus silicone ou uréthane souple, pas ceux livrés avec le kit châssis. µ 1,2 contre µ 0,7 fait 72 % de poussée en plus et coûte le prix d’un jeu de roues.

2 — Réduisez pour le couple et vérifiez le courant de calage. Le sumo vit au côté couple de la courbe moteur, autour de 0,8 m/s à la roue plutôt que le 1,5 supposé par un kit châssis. Puis calculez ce que deux moteurs tirent au calage — environ 3 A — et dimensionnez le pack pour cela plutôt que pour le courant de croisière. Toute une manche est un calage prolongé.

3 — Faites-le s’arrêter à la bordure, seul dans le ring. C’est l’étape clé. Montez des capteurs de réflectance aux deux coins avant, aussi en avant qu’ils voient encore la ligne blanche, calibrés pour le vrai ring plutôt que votre bureau. Foncer à pleine vitesse vers la bordure, cinquante fois, sous tous les angles. Tant que ce n’est pas ennuyeusement fiable, inutile d’ajouter un adversaire — un robot qui sort seul perd sans jamais être poussé.

4 — Lisez les capteurs de bord à chaque passage de boucle. Les quatre cinquièmes de votre distance de réaction attendent la prochaine itération, et une seule lecture de distance bloquante fait 20 ms de cécité exactement au mauvais moment. Le timing non bloquant est l’augmentation de vitesse la moins chère disponible.

5 — Ajoutez la perception d’adversaire. Un VL53L0X vers l’avant, et optionnellement deux autres inclinés à 45° vers l’extérieur. Le faisceau étroit compte : un capteur à ultrasons dans un ring trouve surtout le ring.

6 — Écrivez le comportement en états explicites. Recherche, charge, poussée, repli, avec le réflexe de bord préemptant le tout. C’est un cas d’école pour une machine à états finis, car le contrôle de bord doit tourner dans chaque état et il ne doit exister aucun chemin de code où il ne tourne pas.

7 — Construisez le coin en dernier, et itérez dessus sans fin. C’est la pièce à plus fort levier et la plus facile à changer.

Le comportement, en un paragraphe

Commencez par un délai obligatoire — la plupart des règlements exigent cinq secondes. Puis recherche : tournez sur place, ou roulez un petit arc, jusqu’à ce que le capteur avant signale quelque chose dans environ 40 cm. Chargez droit dessus à pleine puissance. Poussez jusqu’à ce que la distance s’ouvre (ils ont bougé) ou que vous détectiez la bordure. Repliez-vous sur toute détection de bord : pleine marche arrière d’abord, arrêt, puis retour vers le centre du ring. Le repli prime sur tout, depuis tout état, à tout moment.

La subtilité est que pousser et être bloqué se ressemblent depuis le capteur avant. Avec des codeurs, une vitesse de roue nulle à commande pleine signifie un calage, et c’est votre signal pour reculer et réapprocher sous un autre angle plutôt que de labourer jusqu’à épuiser la batterie.

Notes matérielles importantes

La pointe du coin décide des matchs. Tôle d’acier ou d’aluminium fine, affûtée, tenue à une fraction de millimètre du sol par quelque chose de rigide. Sur un support flexible elle monte sur l’adversaire au lieu de passer dessous, ce qui inverse le signe de tout le calcul de transfert de poids.

Gardez l’avant bas. Le coin adverse applique une force vers le haut à votre bord d’attaque, et combien cela vous bascule dépend de la hauteur de votre centre de masse au-dessus. Les robots hauts se font retourner par des robots qui ne pouvaient pas les surpasser en poussée.

Pas de roulette si vous pouvez l’éviter. Du poids sur une roue libre ne fait aucune traction. Deux roues motrices et un patin basse friction — un bouton PTFE ou une tête de vis arrondie — mettent presque toute votre masse au travail.

Protégez le câblage. C’est le seul robot du site délibérément percuté. Tout ce qui est dehors se fait frapper ; tout ce qui est sur connecteur se débranche.

Réducteurs métalliques. Les trains plastique cassent dans un robot dont la condition normale est le calage, et un réducteur cassé en pleine manche est indistinguable d’une batterie morte.

À quoi ressemble un bon résultat

Le temps de réaction au bord est le nombre qui gagne ou perd les matchs, et c’est un effet plus grand que la poussée. La bordure blanche du ring fait 2,5 cm de large. Un robot à 0,5 m/s traverse cette bordure en 50 ms — donc 100 ms de réaction signifie que le robot est déjà dehors avant d’avoir fini de décider de s’arrêter.

Ce budget se décompose en temps de lecture capteur, période de boucle, et distance de freinage. Les trois sont attaquables : interrogez les capteurs de bord bien plus souvent que tout le reste, gardez la boucle de commande serrée, et freinez plutôt que roue libre — court-circuiter le moteur via le pont en H arrête le robot bien plus vite que couper la puissance.

Le plafond d’adhérence mérite d’être posé en arithmétique. Avec 500 g sur deux roues motrices et des pneus silicone à µ = 1,4 :

maximum pushing force = 0.5 kg x 9.81 x 1.4 = 6.9 N

Au-delà les roues patinent quel que soit le couple moteur — et c’est pourquoi un robot sumo est un problème de traction déguisé en problème moteur.

Quand ça tourne mal

Six de ces huit sont des défauts mécaniques ou de perception, soit la même distribution que la Micromouse et pour la même raison : l’algorithme est la petite partie.

Si vous voulez la géométrie de perception et d’arrêt sans la course mécanique aux armements, le simulateur d’évitement exécute la même arithmétique de distance d’arrêt avec un capteur avant, et le robot éviteur d’obstacles est le montage plus doux qui partage l’essentiel de ce matériel. Pour la théorie de transmission sous tout cela, le parcours commande moteur commence au dimensionnement et finit à l’odométrie.