Per la maggior parte dei team debuttanti e intermedi della FIRST Tech Challenge (FTC), la risposta breve è no: non è strettamente necessario disporre di moduli di odometria dead-wheel (ruote folli) per ottenere punti nella fase autonoma. Gli encoder integrati nei motori combinati con l'unità di misura inerziale (IMU, Inertial Measurement Unit) interna del REV Control Hub possono eseguire in modo affidabile una routine autonoma a due azioni, come il parcheggio e il rilascio di un elemento di gioco precaricato. Tuttavia, se il vostro team intende completare cicli multi-sample ad alta velocità, eseguire traiettorie spline continue o recuperare la posizione in modo affidabile dopo collisioni a centro campo, gli encoder integrati non saranno sufficienti. Il motivo non risiede nella qualità del software, ma nella fisica fondamentale delle ruote motrici sottoposte a carico.

La fisica: perché gli encoder dei motori mentono

Gli encoder integrati (come gli encoder a effetto Hall integrati nei motori goBILDA YellowJacket o REV HD Hex) misurano la rotazione dell'armatura interna del motore prima o dopo il riduttore. Rispondono con precisione a una sola domanda: quanti giri ha compiuto l'albero di uscita di questo motore?

Non possono, tuttavia, dirvi dove si trova il robot sul campo in piastrelle di gomma (foam tiles). La conversione dalla rotazione dell'albero alla posizione sul campo fallisce a causa di tre distinti fenomeni fisici:

• Slittamento delle ruote (Wheel Slip): ogni volta che il robot accelera bruscamente, decelera o cambia direzione, le ruote slittano sulle morbide piastrelle di gomma. Quando una ruota gira a vuoto anche solo per 50 millisecondi durante una partenza, l'encoder del motore registra un avanzamento che in realtà non è mai avvenuto.
• Perdita vettoriale con ruote Mecanum (Mecanum Vector Loss): i sistemi di trasmissione Mecanum si muovono in modo omnidirezionale scomponendo forze diagonali attraverso rulli passivi. Sotto carichi di scorrimento laterale (strafing), tali rulli sfregano e slittano molto più delle ruote di trazione standard. I calcoli standard degli encoder non riescono a prevedere con costanza lo spostamento laterale effettivo quando l'attrito dei rulli varia su piastrelle usurate.
• Gioco meccanico di riduttori e trasmissione (Backlash): riduttori epicicloidali, allentamenti della catena ed estensione delle cinghie introducono giochi meccanici tra l'impulso (tick) dell'encoder e l'area di contatto dello pneumatico. Nel corso di una routine autonoma di 30 secondi con dieci cambi di direzione, questa isteresi meccanica si accumula generando errori da 10 a 20 centimetri.

Quando gli encoder integrati e l'IMU sono realmente sufficienti

Prima di investire budget e spazio sul telaio per le ruote folli (dead wheels), valutate se la vostra strategia autonoma ne abbia davvero bisogno. Le ruote folli non sono necessarie se la vostra routine autonoma rispetta questi criteri:

• Movimenti in linea retta a bassa velocità: avanzare al 40% della potenza genera uno slittamento trascurabile delle ruote.
• Correzione dell'orientamento tramite IMU: l'uso del giroscopio integrato nel Control Hub per gestire tutte le rotazioni e il mantenimento della direzione elimina la deriva rotazionale della trasmissione.
• Ripristino della posizione tramite sensori (Sensor resets): se il robot avanza finché un sensore di distanza non rileva la sponda perimetrale, oppure si allinea contro il perimetro del campo tramite battuta meccanica (squaring/bumping), la deriva accumulata dagli encoder viene azzerata.
• Fase autonoma a compito singolo: consegnare un elemento precaricato, oltrepassare una linea e parcheggiare non richiede un tracciamento millimetrico della traiettoria.

Per le squadre alle prime due stagioni, dedicare tre settimane alla calibrazione del PID di Road Runner su moduli di odometria personalizzati privi di molle si traduce spesso in una netta perdita di punti in gara rispetto alla costruzione di un meccanismo di presa (intake) affidabile.

Il punto di svolta: quando le ruote folli diventano essenziali

I moduli di odometria dead-wheel (detti anche ruote di tracciamento non motorizzate o tracking wheels) sono costituiti da piccole ruote omnidirezionali a rotazione libera, tenute a contatto con le piastrelle del campo tramite molle e collegate ciascuna a un encoder rotativo indipendente. Poiché queste ruote non trasmettono coppia motrice e non sostengono il peso del robot, rotolano liberamente senza slittare né sgommare.

Avete raggiunto il limite degli encoder integrati e necessitate delle ruote folli quando si verificano le seguenti condizioni:

• Esecuzione di traiettorie spline: librerie di traiettoria come Road Runner o Pedro Pathing richiedono aggiornamenti continui e precisi al microsecondo sia delle coordinate (x, y) sia dell'orientamento (θ), mentre il robot accelera alla massima potenza dei motori.
• Strafing ad alta velocità: se la vostra routine autonoma prevede spostamenti diagonali o laterali al centro del campo, le stime degli encoder di trazione devieranno dal bersaglio di 15 centimetri o più in una singola corsa.
• Routine autonome basate su cicli: se tentate di raccogliere tre o quattro pezzi di gioco da terra nella finestra autonoma di 30 secondi, un errore di soli 2 centimetri farà fallire completamente l'allineamento del meccanismo di presa (intake).
• Contatti tra robot o collisioni difensive: se un altro robot urta il vostro telaio durante la fase autonoma, le ruote motrici slitteranno sul pavimento. Gli encoder dei motori presumeranno che il robot sia avanzato, mentre le ruote folli misureranno lo spostamento effettivo causato dalla spinta.

Confronto tra gli approcci di localizzazione

Aspetti pratici di implementazione

Se la vostra squadra decide di passare al tracciamento con ruote folli, tenete a mente due regole meccaniche. In primo luogo, i moduli devono essere spinti verso il basso da molle con forza costante: se una ruota folle rimbalza su una giunzione tra le piastrelle di gomma, perde istantaneamente il tracciamento. In secondo luogo, assicuratevi di avere un numero sufficiente di porte encoder disponibili sul vostro REV Control Hub o Expansion Hub, poiché ciascuna ruota folle occupa un ingresso encoder solitamente riservato a un motore.

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Il verdetto

Non installate l'odometria dead-wheel solo perché l'avete vista usare dai team di vertice su YouTube. Installatela quando il limite massimo di punteggio nella fase autonoma è realmente ostacolato dallo slittamento meccanico delle ruote. Se il vostro robot fa ancora fatica a depositare in modo affidabile un singolo elemento precaricato, regolate prima i meccanismi e sfruttate gli encoder integrati con il controllo dell'orientamento via IMU. Quando sarete pronti a risparmiare secondi preziosi sulle traiettorie dei cicli ed eseguire routine autonome multi-elemento a piena potenza, le ruote folli rappresenteranno il miglior aggiornamento possibile.