Construa um robô Mecanum que se desloca lateralmente

O que você está construindo

Um robô de quatro rodas que pode se mover em qualquer direção pelo piso sem precisar girar antes e que pode girar sem alterar a direção de deslocamento. Empurre-o lateralmente por um corredor em que ele mal cabe; mantenha uma câmera apontada para algo enquanto ele contorna o alvo; corrija 3 cm de desvio com passos de 3 cm, em vez de sair em arco e voltar em arco.

Este é o primeiro robô deste site com três velocidades controláveis de forma independente, em vez de duas. Também é o primeiro cuja tração é realmente mais difícil do que seus sensores, e por isso quase toda a construção é formada por motores, encoders e laços de controle.

O teste de aceitação é deliberadamente direto: percorra os quatro lados de um quadrado de 1 m com deslocamento lateral e volte ao ponto inicial a menos de 5 cm, com a orientação inalterada. Nenhum robô de direção diferencial pode sequer tentar esse teste.

O número que conduz o projeto

Tudo nesta construção volta a uma constante:

k = lx + ly

onde lx é metade do entre-eixos (do eixo dianteiro ao traseiro, dividido por dois) e ly é metade da bitola (das rodas esquerda às direita, dividido por dois). Na construção de referência, 75 mm e 85 mm, então k = 0,160 m.

Esse único número acopla a rotação às rodas. Se ele estiver errado, o robô ainda se moverá — mas um comando de rotação puro o faz deslizar pelo piso, e um deslocamento lateral puro descreve uma curva, porque rotação e translação estão se misturando. Meça de centro de roda a centro de roda, não a placa do chassi, que normalmente é mais larga do que você imagina.

Os outros números que vale escrever no chassi com marcador antes de começar:

Lista de materiais

£90–170 no total. As rodas e o fato de haver quatro motores, em vez de dois, explicam a diferença em relação aos £50 de um robô de duas rodas.

Como tudo se conecta

        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 ─┘

Três decisões de fiação que não são óbvias:

• O ESP32 tem regulador próprio. Quatro motores partindo juntos provocam um pico de corrente que faz a tensão da bateria cair, e um controlador que compartilha esse trilho sofre queda de tensão e reinicia no meio de um comando. Parece exatamente uma falha de software. Leia o tutorial do orçamento de potência antes de culpar o código.
• Um capacitor de filtro em paralelo com cada driver. 470 µF perto da placa. Pontes H puxam corrente em rajadas, e a indutância dos fios transforma essas rajadas em picos.
• A IMU fica na linha central, reta e o mais longe dos motores que a placa permitir. A deriva de guinada já é ruim sem um campo magnético dos quatro motores próximos.

Construa em marcos

Cada um tem um teste. Não avance com uma falha sem resolvê-la — em um robô com quatro motores, as falhas se multiplicam.

1. Rodas instaladas e verificação do X

Parafuse as quatro rodas e fique diretamente acima do robô. Siga a linha dos roletes que você vê no topo de cada roda.

Teste: essas quatro linhas apontam para o centro do robô e formam um X. Se formarem um losango, troque duas rodas diagonalmente. Aprovação: um X. Esta é uma verificação de cinco segundos que economiza um dia.

2. Cada motor individualmente

Conecte os quatro e escreva um programa que acione uma roda por vez a 40% por um segundo.

Teste: ative cada uma e confirme que a roda correta gira no sentido correto. Aprovação: quatro rodas, quatro direções corretas, nenhum par trocado. Corrija a fiação na montagem, não com sinais de menos no código — você perderá a conta.

3. Encoders

Uma volta de cada roda, feita com a mão.

Teste: imprima a contagem. Aprovação: dentro de 2% de 1440 e positiva quando a roda gira para frente. Uma contagem que salta ou gira para trás significa que você está gerando a interrupção em um canal em vez de dois, ou lendo um volatile long sem desabilitar interrupções.

4. Cinemática sobre blocos

Coloque o robô sobre blocos e comande um deslocamento lateral puro.

Teste: pares diagonais se opõem — dianteiro esquerdo e traseiro direito giram para um lado, dianteiro direito e traseiro esquerdo para o outro. Aprovação: exatamente esse padrão. Depois comande uma rotação pura: o lado esquerdo para um lado, o direito para o outro. Se uma roda discordar, ela está no canto errado e a etapa 1 errou.

5. Um laço de velocidade

Ajuste alimentação direta e depois PI em uma única roda, sobre blocos e depois sob carga.

Teste: comande 0,3 m/s e pressione o pneu com o dedo. Aprovação: a velocidade se mantém e o PWM aumenta visivelmente. Faça isso uma vez corretamente; as outras três são cópias com seus próprios kS e kV.

6. Todas as quatro em linha reta

Quatro laços, 100 Hz, no piso. Comande 3 m em linha reta.

Teste: meça a deriva lateral no final. Aprovação: menos de 20 mm e repetível em três execuções. Com controle aberto, isso normalmente fica entre 80–200 mm e varia a cada vez.

7. Deslocamento lateral de 1 m

Teste: comande exatamente um metro para o lado e meça a distância e a mudança de orientação. Aprovação: dentro de 5 cm e com menos de 3° de mudança de orientação. Uma curva consistente significa que a constante k está errada; uma curva aleatória significa que um laço de velocidade não está mantendo o valor.

8. IMU e orientação pelo campo

Calibre o viés na inicialização e adicione o botão de zeragem da orientação.

Teste: mantenha o comando para a frente e gire o robô com a mão por uma volta completa. Aprovação: ele continua se deslocando na mesma direção pelo piso. Parado, a guinada deriva menos de 3° por minuto.

9. O quadrado

O teste de aceitação. Comande 1 m para frente, 1 m para a direita, 1 m para trás e 1 m para a esquerda, sem comandar rotação em lugar nenhum.

Teste: meça a distância até o ponto inicial e a mudança de orientação. Aprovação: dentro de 5 cm e 3°.

Como fica um bom resultado

A última linha é honesta, não decepcionante. Nesta tração, o deslizamento dos roletes é o mecanismo, então a odometria é o número mais fraco do robô, mesmo quando tudo funciona. Inclua essa limitação nas expectativas em vez de tentar eliminá-la.

Observações dos componentes que importam

O sentido de montagem das rodas é uma propriedade do conjunto. Duas rodas compradas separadamente no mesmo anúncio muitas vezes têm o mesmo sentido de montagem. Verifique antes de furar qualquer coisa.

Cada rolete precisa girar livremente. Dê um toque em cada um com a mão antes de instalar as rodas. Um rolete travado transforma aquele canto em uma roda comum apontada 45° fora do alinhamento, de forma intermitente, e parece exatamente um bug de software.

Rodeas Mecanum são pesadas. Cada uma pesa de 180–400 g, então até 1,6 kg do robô são rodas. Essa é massa giratória nas extremidades dos braços de momento, o que faz o robô parecer lento e explica a importância do limite de aceleração.

O piso é um componente. Concreto polido e vinílico ficam em torno de μ = 0,8. Um piso de academia empoeirado, uma camada de spray de cabelo deixado em outro robô ou uma emenda no piso vinílico reduzem isso pela metade localmente, e o robô muda de comportamento ao atravessar. Veja o que μ = 0,25 faz antes de culpar o ajuste.

Quando algo dá errado

Para onde seguir

Rodeas passivas. Duas ou três rodas omnidirecionais sem motor, em suportes com mola, com seus próprios encoders. Elas não exercem torque e, portanto, não deslizam; transformam o pior número deste robô no melhor.

Seguimento de caminho holonômico. Pure pursuit e Stanley pressupõem um robô que esterça. Uma base que se desloca lateralmente pode fazer melhor — acompanhe a posição ao longo do caminho e a orientação de forma independente, porque você tem atuadores separados para elas.

Uma câmera em uma base que mantém a orientação. O pareamento natural: um fluxo de visão é muito mais fácil quando a câmera pode permanecer apontada para o alvo enquanto a base se reposiciona. É para isso que o movimento holonômico realmente serve.

ROS 2. Este é o primeiro sistema de tração deste site em que o cmd_vel — cujo linear.y é ignorado explicitamente por um robô de direção diferencial — finalmente tem efeito. Substituir a função de conversão de twist em velocidade das rodas pela versão Mecanum de quatro linhas representa a maior parte do trabalho.