Соберите робота на колёсах Mecanum, который едет боком

Что вы собираете

Четырёхколёсного робота, который может двигаться в любом направлении по полу, не поворачиваясь сначала, и поворачиваться, не меняя направления движения. Двигайте его боком вдоль узкого прохода, в который он едва помещается; удерживайте камеру нацеленной на объект, облетая его вокруг; исправляйте отклонение 3 cm от линии шагом 3 cm вместо движения по дуге наружу и обратно.

Это первый робот на сайте с тремя независимо управляемыми скоростями вместо двух. Это также первый робот, привод которого сложнее датчиков, поэтому почти вся сборка состоит из двигателей, энкодеров и контуров регулирования.

Приёмочное испытание намеренно предельно простое: проехать боком квадрат 1 m и вернуться домой в пределах 5 cm без изменения курса. Ни один робот с дифференциальным приводом вообще не способен пройти такое испытание.

Число, определяющее проект

Вся эта сборка сводится к одной константе:

k = lx + ly

где lx — половина колёсной базы (от передней оси до задней, делённая пополам), а ly — половина ширины колеи (от левых колёс до правых, делённая пополам). В эталонной сборке это 75 mm и 85 mm, поэтому k = 0.160 m.

Это единственное число связывает вращение с колёсами. Если ошибиться, робот всё равно поедет, но команда чистого вращения будет медленно смещаться по полу, а при чистом боковом движении появится кривизна, потому что вращение и поступательное движение смешиваются. Измеряйте от центра колеса до центра колеса, а не по пластине шасси, которая обычно шире, чем кажется.

Другие числа, которые стоит написать маркером на шасси до начала работы:

Перечень компонентов

Итого: £90–170. Именно колёса и четырёхкратное число двигателей превращают £50 двухколёсного робота в эту сумму.

Как всё соединено

        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 ─┘

Три решения при подключении неочевидны:

• ESP32 получает собственный стабилизатор питания. Одновременный пуск четырёх двигателей резко снижает напряжение аккумулятора, и контроллер на общей шине перезагружается посреди команды. Это выглядит точно как сбой прошивки. Прочитайте руководство по бюджету питания, прежде чем винить код.
• Конденсатор большой ёмкости на каждом драйвере. 470 µF как можно ближе к плате. H-мосты потребляют ток импульсами, и индуктивность проводов превращает эти импульсы в выбросы напряжения.
• IMU устанавливается на центральной оси плашмя и как можно дальше от двигателей в пределах пластины. Дрейф угла рыскания и без того велик, не стоит добавлять магнитное поле четырёх двигателей.

Сборка по этапам

У каждого этапа есть проверка. Не переносите неудачу дальше: на роботе с четырьмя двигателями ошибки накапливаются.

1. Установите колёса и выполните проверку в виде X

Закрепите четыре колеса и встаньте точно над роботом. Проследите за линиями роликов, видимых сверху каждого колеса.

Проверка: четыре линии направлены к центру робота и образуют X. Если они образуют ромб, поменяйте местами два колеса по диагонали. Критерий: X. Эта пятисекундная проверка экономит день.

2. Каждый двигатель по отдельности

Подключите все четыре и напишите скетч, который по секунде вращает одно колесо при скважности 40%.

Проверка: проверьте каждое колесо и убедитесь, что оно вращается в нужную сторону. Критерий: четыре колеса, четыре правильных направления, без переставленных пар. Исправляйте подключение физически, а не знаками минус в коде: иначе потеряете из виду, где какой провод.

3. Энкодеры

Один оборот каждого колеса, вращённого вручную.

Проверка: выведите отсчёт. Критерий: отклонение от 1440 в пределах 2% и положительное значение при вращении колеса вперёд. Скачущий или отрицательный отсчёт означает, что прерывание срабатывает по одному каналу вместо двух либо что значение volatile long считывается без отключения прерываний.

4. Кинематика на опорах

Поставьте робота на опоры и задайте чистое боковое движение.

Проверка: диагональные пары вращаются в противоположных направлениях — переднее левое и заднее правое в одну сторону, переднее правое и заднее левое — в другую. Критерий: именно эта последовательность. Затем задайте чистое вращение: левая сторона в одну сторону, правая — в другую. Если колесо возражает, оно стоит не в том углу, и этап 1 солгал.

5. Один контур скорости

Настройте упреждение, затем PI на одном колесе сначала на опорах, затем под нагрузкой.

Проверка: задайте 0.3 m/s и нажмите пальцем на шину. Критерий: скорость сохраняется, а PWM заметно возрастает. Выполните это один раз качественно; остальные три контура — копии со своими kS и kV.

6. Все четыре колеса по прямой

Четыре контура, 100 Hz, на полу. Проедьте 3 m прямо.

Проверка: измерьте боковое отклонение в конце. Критерий: менее 20 mm и повторяемость в трёх заездах. При разомкнутом управлении это обычно 80–200 mm, и каждый раз значение разное.

7. Движение боком на 1 m

Проверка: проедьте точно один метр боком и измерьте расстояние и изменение курса. Критерий: в пределах 5 cm, изменение курса в пределах 3°. Устойчивая кривизна означает неверную константу k; случайная — что контур скорости не удерживает заданную скорость.

8. IMU и управление с ориентацией на поле

Откалибруйте смещение при включении, добавьте кнопку сброса курса.

Проверка: удерживайте джойстик вперёд и вручную поверните робота на полный оборот. Критерий: он продолжает двигаться в прежнем направлении по полу. При неподвижном роботе дрейф угла рыскания менее чем на 3° в минуту.

9. Квадрат

Приёмочное испытание. Проедьте 1 m вперёд, 1 m вправо, 1 m назад, 1 m влево, нигде не задавая вращение.

Проверка: расстояние от начальной точки и изменение курса. Критерий: в пределах 5 cm и 3°.

Как выглядит хороший результат

Последняя строка излагает факты, а не разочарование. У этого привода проскальзывание роликов является частью механизма, поэтому одометрия остаётся самым слабым значением робота даже при полностью рабочей системе. Сразу закладывайте это ожидание вместо попыток исправить его.

Важные замечания по оборудованию

Направленность колёс является свойством комплекта. Два отдельных колеса, заказанные из одного объявления, очень часто имеют одинаковую направленность. Проверьте это до сверления.

Каждый ролик должен вращаться свободно. Проверните каждый ролик рукой перед установкой колёс. Заклинивший ролик превращает этот угол в обычное колесо, периодически направленное под углом 45°, что выглядит точно как программная ошибка.

Колёса Mecanum тяжёлые. По 180–400 g каждое, поэтому до 1.6 kg массы робота приходится на колёса, расположенные на концах плеч момента. Это заставляет робота казаться вязким и объясняет важность предела ускорения.

Пол является компонентом. Полированный бетон и винил имеют μ ≈ 0.8. Пыльное покрытие спортзала, след лака для волос с другого робота или шов линолеума вдвое локально снижают это значение, и при пересечении такого участка поведение робота меняется. Посмотрите, что происходит при μ = 0.25, прежде чем винить настройку.

Когда что-то идёт не так

Куда двигаться дальше

Пассивные колёса. Два или три неприводных омниомных колеса на пружинных креплениях, каждое со своим энкодером. Они не создают момента, поэтому не проскальзывают, и превращают самое слабое значение этого робота в самое сильное.

Следование траектории на голономическом приводе. Pure pursuit и Stanley предполагают робота, который меняет направление колёсами. Шасси, способное двигаться боком, может работать лучше: положение на траектории и курс отслеживаются независимо, потому что для них имеются отдельные исполнительные механизмы.

Камера на шасси, удерживающем курс. Естественное сочетание: конвейер компьютерного зрения значительно проще, когда камера остаётся направленной на цель, пока шасси меняет положение. Именно для этого и нужен голономический привод.

ROS 2. Это первый привод здесь, где cmd_vel содержит linear.y — явно игнорируемую роботом с дифференциальным приводом — и эта координата наконец получает смысл. Замена функции преобразования вектора скорости в скорости колёс на четырёхстрочную версию для Mecanum — основная часть работы.