Costruisci un robot Mecanum che si muove lateralmente

Cosa stai costruendo

Un robot a quattro ruote che può muoversi in qualsiasi direzione sul pavimento senza prima girare e che può ruotare senza cambiare la direzione in cui si muove. Spingilo lateralmente lungo un corridoio in cui entra a stento; tieni una camera puntata su qualcosa mentre gli fai un giro intorno; correggi di 3 cm da una linea facendo 3 cm di passi, invece di uscire con un arco e rientrare con un altro.

È il primo robot di questo sito con tre velocità controllabili indipendentemente invece di due. È anche il primo la cui cinematica è genuinamente più difficile dei suoi sensori, ed è per questo che quasi tutta la costruzione riguarda motori, encoder e cicli di controllo.

Il test di accettazione è deliberatamente brutale: percorri un quadrato di 1 m spostandoti lateralmente e torna a casa entro 5 cm con l’orientamento invariato. Nessun robot a trazione differenziale può nemmeno tentare questo test.

Il numero da cui dipende il progetto

Tutto ciò che riguarda questa costruzione si riduce a una costante:

k = lx + ly

dove lx è metà del passo ruota (dall’asse anteriore a quello posteriore, dimezzato) e ly è metà della carreggiata (dalla ruota sinistra a quella destra, dimezzata). Nella costruzione di riferimento, 75 mm e 85 mm, quindi k = 0.160 m.

Quell’unico numero collega la rotazione alle ruote. Se sbagli, il robot guida comunque, ma un comando di pura rotazione si trascina sul pavimento e un puro spostamento laterale curva, perché rotazione e traslazione si contaminano. Misura da centro ruota a centro ruota, non sulla piastra del telaio, che di solito è più larga di quanto pensi.

Gli altri numeri che vale la pena scrivere sul telaio con un pennarello prima di iniziare:

Lista dei componenti

£90–170 totali. Le ruote e il quadruplo numero di motori sono ciò che trasforma i £50 di un robot a due ruote in questo.

Come si collega tutto

        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 ─┘

Tre decisioni di cablaggio non ovvie:

• L’ESP32 ha un regolatore proprio. Quattro motori che partono insieme fanno crollare il pacco, e un controllore che condivide quella linea va in brown-out e si riavvia a metà comando. Sembra esattamente un blocco del firmware. Leggi il tutorial sul bilancio di alimentazione prima di dare la colpa al codice.
• Un condensatore di grandi dimensioni su ciascun driver. 470 µF vicino alla scheda. Gli H-bridge assorbono a raffica e l’induttanza dei cavi trasforma quelle raffiche in picchi.
• L’IMU va sulla linea centrale, in piano e il più lontano possibile dai motori. La deriva dello yaw è già abbastanza cattiva senza un campo magnetico di quattro motori.

Costruiscilo in traguardi

Ognuno ha un test. Non portare avanti un fallimento: su un robot a quattro motori i fallimenti si moltiplicano.

1. Ruote montate e controllo a X

Bullona le quattro ruote e mettiti direttamente sopra il robot. Segui la linea dei rulli che puoi vedere sopra ogni ruota.

Test: queste quattro linee puntano al centro del robot e disegnano una X. Se disegnano un rombo, scambia due ruote in diagonale. Risultato positivo: una X. È un controllo di cinque secondi che ti fa risparmiare una giornata.

2. Ogni motore singolarmente

Collega tutti e quattro e scrivi uno sketch che guidi una ruota alla volta al 40% per un secondo.

Test: richiama ciascuna e conferma che la ruota giusta giri nella giusta direzione. Risultato positivo: quattro ruote, quattro direzioni corrette, nessuna coppia scambiata. Correggi il cablaggio nell’hardware, non con segni meno nel codice: perderai il filo.

3. Encoder

Una rivoluzione di ogni ruota, girata a mano.

Test: stampa il conteggio. Risultato positivo: entro il 2% di 1440 e positivo quando la ruota gira in avanti. Un conteggio che salta o corre all’indietro significa che stai interrompendo su un canale invece di due, oppure leggi una volatile long senza disabilitare gli interrupt.

4. Cinematica su blocchi

Metti il robot su blocchi e comanda un puro spostamento laterale.

Test: le coppie diagonali si oppongono— anteriore-sinistra e posteriore-destra vanno in una direzione, anteriore-destra e posteriore-sinistra nell’altra. Risultato positivo: esattamente questo schema. Poi comanda una pura rotazione: il lato sinistro in una direzione, quello destro nell’altra. Se una ruota non concorda, è nell’angolo sbagliato e il passo 1 ti ha mentito.

5. Un ciclo di velocità

Regola il feed-forward e poi PI su una sola ruota, su blocchi e poi sotto carico.

Test: comanda 0.3 m/s e premi un dito sul pneumatico. Risultato positivo: la velocità si mantiene e il PWM aumenta visibilmente. Fallo bene una volta; le altre tre sono copie con il proprio kS e kV.

6. Tutte e quattro, in linea retta

Quattro cicli, 100 Hz, sul pavimento. Percorri 3 m dritto.

Test: misura la deriva laterale alla fine. Risultato positivo: meno di 20 mm e ripetibile in tre corse. In anello aperto sono tipicamente 80–200 mm e diversi ogni volta.

7. Spostamento laterale di 1 m

Test: guida esattamente un metro di lato e misura sia la distanza sia la variazione di orientamento. Risultato positivo: entro 5 cm, orientamento entro 3°. Una curva costante significa che la costante k è sbagliata; una curva casuale significa che un ciclo di velocità non sta tenendo.

8. IMU e orientamento al campo

Calibra il bias all’avvio e aggiungi il pulsante di reset dell’orientamento.

Test: tieni il comando in avanti e gira il robot a mano per una rotazione completa. Risultato positivo: continua a viaggiare nella stessa direzione sul pavimento. Da fermo, lo yaw deriva meno di 3° al minuto.

9. Il quadrato

Il test di accettazione. Percorri 1 m in avanti, 1 m a destra, 1 m indietro, 1 m a sinistra, senza comandare rotazioni da nessuna parte.

Test: distanza dal punto di partenza e variazione di orientamento. Risultato positivo: entro 5 cm e 3°.

Che aspetto ha un buon risultato

Quell’ultima riga è onesta, non deludente. Su questo gruppo di trazione i rulli che scivolano sono il meccanismo, quindi l’odometria è il numero più debole del robot anche quando tutto funziona. Metti questa aspettativa nel progetto invece di inseguirla.

Note hardware importanti

La chiralità di una ruota è una proprietà del set. Due ruote singole ordinate separatamente dalla stessa scheda sono molto spesso della stessa chiralità. Controlla prima di forare qualsiasi cosa.

Ogni rullo deve girare liberamente. Fai scattare ciascuno a mano prima di montare le ruote. Un rullo bloccato trasforma quell’angolo in una normale ruota puntata di 45° fuori asse, a intermittenza, il che si legge esattamente come un bug software.

Le ruote mecanum sono pesanti. 180–400 g ciascuna, quindi fino a 1.6 kg del robot sono ruote, ed è massa rotante agli estremi dei bracci di momento. Rende il robot pigro ed è il motivo per cui il tetto di accelerazione conta.

Il pavimento è un componente. Cemento lucidato e vinile sono intorno a μ = 0.8. Un pavimento di palestra polveroso, uno strato di spray per capelli usato su un altro robot o una giunzione nel linoleum lo dimezzano localmente, e il robot cambierà comportamento mentre lo attraversa. Guarda cosa fa μ = 0.25 prima di dare la colpa alla regolazione.

Quando va storto

Da dove proseguire

Ruote passive. Due o tre ruote omnidirezionali non alimentate su supporti a molla, con i propri encoder. Non trasmettono coppia e quindi non slittano, e trasformano il numero peggiore di questo robot nel migliore.

Inseguimento di percorsi olonomici. Pure pursuit e Stanley presuppongono un robot che sterza. Una base che può spostarsi lateralmente può fare meglio: traccia posizione e orientamento indipendentemente, perché hai attuatori separati per entrambi.

Una telecamera su una base che mantiene l’orientamento. L’abbinamento naturale: una catena di visione è molto più facile quando la telecamera può restare puntata sul bersaglio mentre la base si riposiziona. È questo il motivo per cui esiste la trazione olonomica.

ROS 2. Questo gruppo di trazione è il primo per cui il cmd_vel, il cui linear.y è ignorato esplicitamente da un robot a trazione differenziale, finalmente significa qualcosa. Sostituire la funzione di conversione da twist a ruote con la versione Mecanum a quattro righe è quasi tutto il lavoro.