Соберите мини-робота сумо: сцепление, клин и датчики края

Что вы собираете

Два робота, одно кольцо и датчики, направленные только друг на друга и на пол. Побеждает тот, кто в конце остался внутри.

Это простейшая цель на сайте, но проект далеко не так прост, как кажется, поскольку сумо — единственный робот, в котором механика решает исход, а коду остаётся только не испортить его. Все остальные разработки здесь вознаграждают более совершенные алгоритмы. Этот проект вознаграждает более острый клин.

Такая инверсия стоит испытать один раз. Именно поэтому приведённый ниже порядок сборки посвящает первый день арифметике, а последний — поведению, то есть действует наоборот тому, как обычно начинают.

Три числа, определяющие исход

Усилие толкания равно 5.9 N, а двигатели способны дать 25 N. Робот массой 500 g на силиконовых шинах ограничен сцеплением в четыре раза. Привод не является ограничением и никогда им не станет, поэтому доведите массу до предела, разместите каждый грамм над ведущими колёсами и потратите бюджет двигателей на передаточное число, а не мощность.

Клин, поднимающий 40% веса соперника, даёт 2.3× его усилия толкания. Снятый с соперника вес переходит на вас, поэтому отношение равно (1+f)/(1−f) и быстро растёт. Ни одно другое отдельное изменение не даёт такого результата.

Скорость может составлять около 0.8 m/s. Не потому, что двигатели заканчиваются, а потому что 25 mm границы плюс 25 ms задержки — это всё доступное пространство для торможения. Большинство первых роботов имеют передаточное число на вдвое большую скорость и проигрывают краю, а не сопернику.

Эти три предложения составляют весь проект. Всё ниже объясняет, как их достичь.

Перечень компонентов

Мини-сумо имеет формальный класс: основание 10 × 10 cm на старте, максимум 500 g на кольце диаметром 77 cm с белой границей 2.5 cm. Правила определяют список компонентов.

Итого: примерно $65–90.

Два замечания, которые определяют поединки, а не просто обеспечивают работоспособность.

Масса располагается над ведущими колёсами, вплоть до предела. Усилие толкания определяется трением, а трение равно коэффициенту, умноженному на нормальную нагрузку. Каждый грамм не над ведущей шиной расходуется впустую, поэтому роботы сумо доходят ровно до 500 g и помещают почти всю массу на два колеса.

Шины важнее двигателей. Робот, достигший предела сцепления, не получает ничего от дополнительного момента: колёса просто проскальзывают. Переход от жёсткого пластика (µ ≈ 0.4) к силикону (µ ≈ 1.2 или лучше) примерно утроевает доступное усилие толкания за пять долларов, что не может сравниться ни с одной модернизацией двигателей.

Порядок сборки

1 — Сначала определите массу и шины. Они задают усилие толкания ещё до появления первой строки кода. Стремитесь к пределу 500 g, размещая массу низко и над ведущими колёсами; используйте силиконовые или мягкие уретановые шины, а не те, что входят в комплект шасси. µ 1.2 против µ 0.7 даёт на 72% больше усилия и стоит цены комплекта колёс.

2 — Выберите передаточное число для момента и проверьте ток блокировки. Сумо работает на рабочем участке характеристики двигателя с высоким моментом, около 0.8 m/s на колесе, а не на 1.5, предполагаемых комплектом шасси. Затем определите потребление двух двигателей при блокировке — примерно 3 A, — и рассчитайте на него аккумулятор, а не на ток при спокойном движении. Весь раунд представляет собой продолжительную блокировку.

3 — Заставьте его останавливаться у границы в одиночку в кольце. Это ключевой этап. Установите отражательные датчики на обоих передних углах как можно дальше вперёд, насколько они ещё видят белую линию, и откалибруйте по реальному кольцу, а не по своему столу. На полной скорости подъезжайте к границе пятьдесят раз и с каждого направления. Пока это не станет скучно надёжным, добавлять соперника бессмысленно: робот, выезжающий сам, проигрывает, не получив ни одного толчка.

4 — Считывайте датчики края на каждом проходе контура. Четыре пятых дистанции реакции приходится на ожидание следующей итерации, а одно блокирующее измерение расстояния создаёт 20 ms слепоты в самый неподходящий момент. Неблокирующее управление временем — самое дешёвое доступное увеличение скорости.

5 — Добавьте обнаружение соперника. Установите VL53L0X спереди и, по желанию, ещё два под углом 45° наружу. Узкий луч важен: ультразвуковой датчик в кольце в основном находит само кольцо.

6 — Опишите поведение явными состояниями. Поиск, атака, толкание, отступление, причём рефлекс на краю имеет приоритет над всеми состояниями. Это учебный случай конечного автомата, поскольку проверка края должна выполняться в каждом состоянии и не должно существовать ни одного пути в коде, где она пропущена.

7 — Соберите клин последним и бесконечно дорабатывайте его. Это часть с наибольшим влиянием на результат, которую проще всего изменять.

Поведение в одном абзаце

Начните с обязательной задержки — большинство наборов правил требуют пяти секунд. Затем ищите: вращайтесь на месте или проезжайте небольшую дугу, пока передний датчик не сообщит о цели на расстоянии примерно до 40 cm. Атакуйте прямо на полной мощности. Толкайте, пока либо расстояние не увеличится, что означает движение соперника, либо не будет обнаружена граница. Отступайте при любом обнаружении края: сначала полный задний ход, затем остановка и поворот к центру кольца. Отступление имеет приоритет над всем, из любого состояния и в любой момент.

Тонкость в том, что толкание и застревание выглядят одинаково для переднего датчика. Если есть энкодеры, нулевая скорость колёс при полной команде означает блокировку. Это сигнал отступить и повторить подход под другим углом, а не скрежетать до полной разрядки аккумулятора.

Важные замечания по оборудованию

Кончик клина определяет поединок. Тонкий лист стали или алюминия, заострённый по кромке и удерживаемый на доле миллиметра над полом жёсткой опорой. На податливом креплении он перелезает поверх соперника, а не под него, что меняет знак всего расчёта передачи массы.

Держите передок низко. Клин соперника прикладывает подъёмную силу у переднего края, и степень опрокидывания зависит от высоты центра масс над ним. Высоких роботов опрокидывают те, кто не может вытолкнуть их силой.

По возможности не используйте опорный ролик. Масса на свободно вращающемся колесе не создаёт сцепления. Два ведущих колеса и низкофрикционная опора — кнопка из PTFE или скруглённая головка винта — задействуют почти всю массу.

Защитите проводку. Это единственный робот на сайте, который намеренно идёт на таран. Всё снаружи получает удар; всё на разъёме расшатывается.

Металлические редукторы. Пластиковые передачи изнашиваются в роботе, для которого нормальный режим работы — блокировка, а сломанный посреди раунда редуктор неотличим от разряженного аккумулятора.

Как выглядит хороший результат

Время реакции на край — значение, которое определяет исход поединков, и оно влияет сильнее усилия толкания. Белая граница кольца имеет ширину 2.5 cm. Робот, движущийся со скоростью 0.5 m/s, пересекает её за 50 ms, поэтому при времени реакции 100 ms робот успевает выехать ещё до завершения решения остановиться.

Этот бюджет складывается из времени считывания датчика, периода контура и тормозного пути. Все три можно улучшить: значительно чаще опрашивать датчики края, поддерживать частоту контура и тормозить, а не двигаться по инерции — замыкание двигателя через H-мост останавливает робота намного быстрее снятия питания.

Предел сцепления стоит выразить арифметически. При массе 500 g на двух ведущих колёсах и силиконовых шинах с µ = 1.4:

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

За этой величиной колёса проскальзывают независимо от момента двигателя, поэтому задача сумо — это по сути задача о сцеплении, замаскированная под задачу о двигателе.

Когда что-то идёт не так

Шесть из этих восьми проблем относятся к механике или измерениям. Распределение совпадает с показанным для робота Micromouse и объясняется тем же: алгоритм составляет меньшую часть задачи.

Если нужны измерения и геометрия остановки без механической гонки вооружённых роботов, симулятор обхода препятствий выполняет ту же арифметику тормозного пути с передним датчиком, а робот для обхода препятствий является более простой сборкой с почти тем же оборудованием. Для теории привода, лежащей в основе всего этого, план обучения управлению двигателями начинается с выбора компонентов и заканчивается одометрией.