Serve davvero l'odometria a ruote folli in FTC, o bastano gli encoder dei motori?
Gli encoder dei motori abbinati a una IMU interna bastano per percorsi autonomi semplici, ma la traslazione Mecanum ad alta accelerazione e le routine multi-elemento ripetibili richiedono l'odometria a ruote folli non motorizzate per eliminare lo slittamento.
Per la maggior parte delle squadre esordienti e intermedie della FIRST Tech Challenge (FTC) la risposta breve è no: i moduli di odometria a ruote folli non sono strettamente necessari per fare punti in autonomo. Gli encoder integrati nei motori, combinati con l'unità di misura inerziale (IMU) interna al REV Control Hub, riescono a garantire in modo affidabile una routine autonoma da due azioni, per esempio il parcheggio e il punteggio con un elemento di gioco precaricato. Tuttavia, se la squadra punta a cicli multipli ad alta velocità, a percorsi spline continui o a riprendersi in modo affidabile da collisioni a metà campo, gli encoder integrati vi tradiranno. Il motivo non è la qualità del software: è la fisica di fondo delle ruote motrici sotto carico.
La fisica: perché gli encoder dei motori mentono
Gli encoder integrati (come quelli a effetto Hall dei 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: quante volte ha girato quest'albero di uscita del motore?
Non possono però dirvi dove si trova il robot sul campo di piastrelle in gommapiuma. La traduzione dalla rotazione dell'albero alla posizione sul campo si rompe per tre distinti fenomeni fisici:
- Slittamento delle ruote: ogni volta che il robot accelera bruscamente, decelera o cambia direzione, le ruote slittano sulle morbide piastrelle in gommapiuma. Quando una ruota gira a vuoto anche solo per 50 millisecondi in partenza, l'encoder del motore registra un avanzamento che non è mai avvenuto.
- Perdita vettoriale delle Mecanum: le trasmissioni Mecanum si muovono in modo omnidirezionale scomponendo forze diagonali attraverso rulli passivi. Sotto carichi di traslazione laterale quei rulli strisciano e slittano molto più delle normali ruote di trazione. La matematica standard degli encoder non riesce a prevedere in modo coerente il vero spostamento laterale quando l'attrito dei rulli varia sulle piastrelle usurate.
- Gioco del riduttore e della trasmissione: riduttori epicicloidali, gioco della catena e allungamento delle cinghie introducono lasco meccanico fra il tick dell'encoder e l'impronta di contatto della gomma. Nell'arco di una routine autonoma di 30 secondi con dieci cambi di direzione, questa isteresi meccanica si accumula in errori da 10 a 20 centimetri.
Quando gli encoder integrati e la IMU bastano davvero
Prima di spendere budget e volume di telaio in ruote folli, valutate se la vostra strategia autonoma le richieda davvero. Non vi servono ruote folli se la vostra routine autonoma rientra in questi criteri:
- Movimenti in linea retta a bassa velocità: avanzare al 40% di potenza genera uno slittamento trascurabile.
- Correzione della direzione tramite IMU: usare il giroscopio integrato nel Control Hub per gestire tutte le rotazioni e il mantenimento della direzione elimina la deriva rotazionale della trasmissione.
- Azzeramenti tramite sensori: se il robot avanza finché un sensore di distanza rileva il muro perimetrale, o si allinea contro il perimetro del campo per contatto fisico (squadrandosi), la deriva accumulata dagli encoder viene azzerata.
- Autonomo a compito singolo: consegnare un elemento precaricato, superare una linea e parcheggiare non richiede un inseguimento di traiettoria al millimetro.
Per le squadre alle prime due stagioni, passare tre settimane a mettere a punto il PID di Road Runner su moduli di odometria autocostruiti e non ammortizzati è spesso una perdita netta di punti in gara rispetto al costruire un meccanismo di presa affidabile.
Il punto di rottura: quando le ruote folli diventano indispensabili
I moduli di odometria a ruote folli (detti anche ruote di tracciamento non motorizzate) sono costituiti da piccole ruote omnidirezionali a rotazione libera tenute contro le piastrelle del campo da una molla, ciascuna cablata a un encoder rotativo indipendente. Poiché queste ruote non trasmettono coppia motrice e non portano il peso del robot, rotolano liberamente senza strisciare né girare a vuoto.
Avete raggiunto il limite degli encoder integrati e vi servono le ruote folli quando osservate quanto segue:
- State percorrendo traiettorie spline: librerie di traiettorie come Road Runner o Pedro Pathing richiedono aggiornamenti continui e accurati al microsecondo sia delle coordinate $(x, y)$ sia della direzione ($\theta$) mentre il robot accelera alla massima potenza dei motori.
- Traslate lateralmente a velocità: se l'autonomo si affida a spostamenti diagonali o laterali attraverso il centro del campo, le stime degli encoder di trazione si scosteranno dall'obiettivo di 15 centimetri o più in una singola corsa.
- Routine autonome a cicli: se state provando a raccogliere tre o quattro elementi di gioco da terra nei 30 secondi di autonomo, un errore di 2 centimetri significa mancare del tutto l'allineamento della presa.
- Contatti difensivi o urti tra robot: se un altro robot urta il vostro telaio durante l'autonomo, le ruote motrici slitteranno sul pavimento. Gli encoder dei motori daranno per scontato che il robot sia avanzato, mentre le ruote folli misureranno lo spostamento reale prodotto dalla spinta.
Confronto tra gli approcci di localizzazione
| Parametro | Encoder dei motori + IMU | Odometria a due ruote folli + IMU | Odometria a tre ruote folli |
|---|---|---|---|
| Costo hardware | R0 (incluso nei motori/hub) | Moderato (2 moduli + supporti) | Più alto (3 moduli + supporti) |
| Uso delle porte encoder | 4 porte motore (standard) | 2 porte encoder motore occupate | 3 porte encoder motore occupate |
| Ripetibilità di posizione | ± 80–150 mm su percorsi lunghi | ± 10–25 mm | ± 5–15 mm |
| Precisione di direzione | Soggetta alla deriva della IMU / ritardo di imbardata | Controllata tramite IMU | Puramente cinematica (basata sul calcolo) |
| Complessità di montaggio | Nessuna | Moderata (serve tensionamento a molla) | |
| Consigliata per | Squadre da principianti a intermedie | La maggior parte delle squadre competitive | Squadre avanzate che necessitano di tracciamento ad alta frequenza |
Realtà dell'implementazione
Se la vostra squadra decide di fare il salto al tracciamento a ruote folli, tenete a mente due regole meccaniche. Primo, i moduli vanno premuti verso il basso da una molla a forza costante: se una ruota folle rimbalza su una giunzione tra le piastrelle in gommapiuma, perde il tracciamento all'istante. Secondo, assicuratevi di avere abbastanza porte encoder libere sul REV Control Hub o sull'Expansion Hub, perché ogni ruota folle occupa un ingresso encoder di norma riservato a un motore.
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Il verdetto
Non installate l'odometria a ruote folli perché avete visto su YouTube le squadre di vertice che la usano. Installatela quando il vostro tetto di punteggio in autonomo è davvero bloccato dallo slittamento meccanico delle ruote. Se il vostro robot oggi fatica a segnare in modo affidabile un solo elemento precaricato, mettete a punto i meccanismi e usate prima gli encoder integrati con il controllo di direzione della IMU. Quando sarete pronti a limare secondi sui percorsi di ciclo e a eseguire routine autonome multi-elemento a tutto gas, le ruote folli sono il singolo upgrade più efficace che possiate fare.
