Para a maioria das equipas iniciadas e intermédias da FIRST Tech Challenge (FTC), a resposta curta é não: não precisa mesmo de módulos de odometria com rodas livres para marcar pontos no período autónomo. Os encoders integrados nos motores, combinados com a unidade de medição inercial (IMU) interna do REV Control Hub, conseguem executar de forma fiável uma rotina autónoma com duas ações — por exemplo, estacionar e pontuar uma peça de jogo pré-carregada. No entanto, se a sua equipa pretende fazer ciclos rápidos com várias amostras, executar trajetórias contínuas por splines ou recuperar de forma fiável de colisões a meio do campo, os encoders integrados vão falhar. A razão não é a qualidade do software; é a física fundamental das rodas de propulsão sob carga.

A física: porque é que os encoders dos motores mentem

Os encoders integrados (como os de efeito Hall incorporados nos motores goBILDA YellowJacket ou REV HD Hex) medem a rotação da armadura interna do motor antes ou depois da caixa redutora. Respondem com rigor a uma pergunta: quantas vezes rodou este veio de saída do motor?

Não conseguem, porém, dizer-lhe onde está o seu robô no campo de placas de espuma. A tradução da rotação do veio para a posição no campo falha por três fenómenos físicos distintos:

• Deslize das rodas: sempre que o robô acelera com força, trava ou muda de direção, as rodas deslizam sobre as placas de espuma macia. Quando uma roda patina no mesmo sítio durante apenas 50 milissegundos no arranque, o encoder do motor regista um avanço que nunca aconteceu.
• Perda vetorial no Mecanum: os sistemas de tração Mecanum movem-se em todas as direções ao vetorizar forças diagonais através de rolos passivos. Sob esforços de deslocamento lateral, esses rolos arrastam e deslizam bastante mais do que rodas de tração normais. As contas habituais dos encoders não conseguem prever de forma consistente o deslocamento lateral real quando o atrito dos rolos varia em placas gastas.
• Folga na caixa redutora e na transmissão: as caixas planetárias, a folga da corrente e o esticamento da correia introduzem folga mecânica entre o impulso do encoder e a zona de contacto do pneu. Ao longo de uma rotina autónoma de 30 segundos com dez mudanças de direção, esta histerese mecânica acumula-se em erros de 10 a 20 centímetros.

Quando os encoders integrados e a IMU são genuinamente suficientes

Antes de gastar orçamento e volume de chassis com rodas livres, pondere se a sua estratégia autónoma precisa mesmo delas. Não precisa de rodas livres se a sua rotina autónoma corresponder a estes critérios:

• Movimentos lentos e em linha reta: avançar a 40% de potência gera um deslize das rodas insignificante.
• Correção de rumo pela IMU: usar o giroscópio integrado do Control Hub para controlar todas as viragens e manter o rumo elimina a deriva rotacional da tração.
• Reinícios por sensor: se o robô avança até um sensor de distância detetar a parede do perímetro, ou se se alinha contra o perímetro do campo por esquadria física (encostando), a deriva acumulada dos encoders é reposta a zero.
• Autónomo de tarefa única: entregar um elemento pré-carregado, passar uma linha e estacionar não exige seguimento de trajetória ao milímetro.

Para equipas nas suas duas primeiras épocas, passar três semanas a depurar a afinação PID do Road Runner em módulos de odometria feitos à medida e sem suspensão costuma ser uma perda líquida de pontos em competição face a construir um mecanismo de recolha fiável.

O ponto de rutura: quando as rodas livres se tornam essenciais

Os módulos de odometria com rodas livres (também chamados rodas de seguimento sem tração) consistem em pequenas rodas omnidirecionais de rotação livre, encostadas às placas do campo por tensão de mola, cada uma ligada a um encoder rotativo independente. Como estas rodas não recebem binário do motor nem suportam o peso do robô, rolam livremente sem arrastar nem patinar.

Chegou ao limite dos encoders integrados e precisa de rodas livres quando observa o seguinte:

• Está a fazer trajetórias por splines: bibliotecas de trajetórias como o Road Runner ou o Pedro Pathing exigem atualizações contínuas e precisas ao microssegundo tanto das coordenadas $(x, y)$ como do rumo ($ heta$) enquanto o robô acelera à potência máxima dos motores.
• Está a deslocar-se lateralmente a alta velocidade: se o seu autónomo depende de deslocações na diagonal ou de lado pelo centro do campo, as estimativas dos encoders de tração desviam-se do alvo em 15 centímetros ou mais numa só passagem.
• Rotinas autónomas em ciclo: se está a tentar apanhar do chão três ou quatro peças de jogo durante a janela autónoma de 30 segundos, um erro de 2 centímetros significa falhar completamente o alinhamento da recolha.
• Toques defensivos ou contacto entre robôs: se outro robô colidir com o seu chassis durante o autónomo, as rodas de tração deslizam sobre o pavimento. Os encoders dos motores vão assumir que o robô avançou, ao passo que as rodas livres medem o deslocamento real provocado pelo empurrão.

Comparação de abordagens de localização

Realidades da implementação

Se a sua equipa decidir dar o salto para o seguimento com rodas livres, tenha presentes duas regras mecânicas. Primeira, os módulos têm de ser pressionados para baixo por mola com força constante; se uma roda livre saltar sobre uma junta das placas de espuma, perde o seguimento de imediato. Segunda, certifique-se de que tem portas de encoder suficientes no seu REV Control Hub ou Expansion Hub, já que cada roda livre ocupa uma entrada de encoder normalmente reservada a um motor.

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O veredito

Não instale odometria com rodas livres porque viu equipas de topo a fazê-lo no YouTube. Instale-a quando o seu teto de pontuação no autónomo estiver genuinamente bloqueado pelo deslize mecânico das rodas. Se o seu robô ainda tem dificuldade em pontuar de forma fiável um único elemento pré-carregado, afine primeiro os mecanismos e use os encoders integrados com controlo de rumo pela IMU. Quando estiver pronto para cortar segundos nos seus percursos de ciclo e executar rotinas autónomas com vários elementos a toda a velocidade, as rodas livres são a melhoria mais eficaz que pode fazer.