Действительно ли в FTC нужна одометрия на свободных колёсах или хватит энкодеров моторов?
Энкодеров моторов в паре с внутренним IMU достаточно для простых автономных траекторий, но скоростной страйф на Mecanum и повторяемые многоэлементные программы требуют неприводной одометрии на свободных колёсах, чтобы исключить проскальзывание колёс.
Для большинства новичковых и средних по опыту команд FIRST Tech Challenge (FTC) короткий ответ — нет: модули одометрии на свободных колёсах не являются строго обязательными, чтобы набирать очки в автономном периоде. Встроенных энкодеров моторов в связке с внутренним инерциальным измерительным модулем (IMU) на вашем REV Control Hub достаточно, чтобы надёжно выполнять автономную программу из двух действий — например, припарковаться и забить предзагруженный игровой элемент. Однако если команда намерена крутить скоростные циклы с несколькими элементами, проходить непрерывные сплайновые траектории или уверенно восстанавливаться после столкновений в центре поля, встроенные энкодеры вас подведут. Причина не в качестве кода, а в базовой физике ведущих колёс под нагрузкой.
Физика: почему энкодеры моторов врут
Встроенные энкодеры (например, датчики Холла, встроенные в моторы goBILDA YellowJacket или REV HD Hex) измеряют вращение внутреннего якоря двигателя до или после редуктора. Точно они отвечают на один вопрос: сколько раз повернулся выходной вал этого мотора?
Но они не могут сказать, где ваш робот находится на поле из пенных плит. Пересчёт оборотов вала в положение на поле ломается из-за трёх разных физических явлений:
- Проскальзывание колёс. Всякий раз, когда робот резко разгоняется, тормозит или меняет направление, колёса проскальзывают по мягким пенным плитам. Если колесо прокрутилось на месте хотя бы 50 миллисекунд на старте, энкодер зафиксирует поступательное перемещение, которого не было.
- Потери вектора у Mecanum. Трансмиссии Mecanum движутся всенаправленно, раскладывая диагональные силы через пассивные ролики. При боковых нагрузках во время страйфа эти ролики скребут и проскальзывают заметно сильнее, чем обычные фрикционные колёса. Стандартная математика энкодеров не может стабильно предсказать истинное боковое смещение, когда трение роликов меняется на изношенных плитах.
- Люфт редуктора и трансмиссии. Планетарные редукторы, провис цепи и растяжение ремня вносят механический зазор между тиком энкодера и пятном контакта шины. За 30-секундную автономную программу с десятью сменами направления этот механический гистерезис накапливается в ошибку от 10 до 20 сантиметров.
Когда встроенных энкодеров и IMU действительно достаточно
Прежде чем тратить бюджет и объём шасси на свободные колёса, подумайте, действительно ли ваша автономная стратегия их требует. Свободные колёса не нужны, если ваша автономная программа отвечает следующим условиям:
- Медленные прямолинейные перемещения. Движение вперёд на 40 % мощности даёт пренебрежимо малое проскальзывание.
- Коррекция курса через IMU. Использование встроенного гироскопа Control Hub для всех поворотов и удержания курса устраняет вращательный дрейф трансмиссии.
- Сброс по датчикам. Если робот едет, пока датчик расстояния не обнаружит бортик поля, или выравнивается по периметру физическим упором (притираясь), накопленный дрейф энкодеров обнуляется.
- Одна задача в автономном режиме. Доставить предзагруженный элемент, переехать линию и припарковаться — для этого не нужно миллиметровое отслеживание траектории.
Для команд в первые два сезона три недели отладки PID-настроек Road Runner на неподрессоренных самодельных модулях одометрии часто оборачиваются чистой потерей очков по сравнению с постройкой надёжного захвата.
Точка перелома: когда свободные колёса становятся необходимы
Модули одометрии на свободных колёсах (их также называют неприводными отслеживающими колёсами) состоят из небольших свободно вращающихся омни-колёс, прижатых к плитам поля пружиной, каждое из которых подключено к отдельному поворотному энкодеру. Поскольку эти колёса не несут ни крутящего момента мотора, ни веса робота, они катятся свободно, не скребя и не буксуя.
Вы упёрлись в предел встроенных энкодеров и нуждаетесь в свободных колёсах, если наблюдаете следующее:
- Вы едете по сплайновым траекториям. Библиотеки траекторий вроде Road Runner или Pedro Pathing требуют непрерывного обновления с микросекундной точностью как координат $(x, y)$, так и курса ($\theta$), пока робот разгоняется на максимальной мощности моторов.
- Вы страйфите на скорости. Если автономка опирается на диагональное или боковое движение через центр поля, оценки по энкодерам привода уйдут от цели на 15 сантиметров и более за один проезд.
- Циклические автономные программы. Если вы пытаетесь подобрать три-четыре игровых элемента с пола за 30-секундное автономное окно, ошибка в 2 сантиметра означает полный промах по выравниванию захвата.
- Силовые столкновения или контакт с роботами. Если другой робот врежется в ваше шасси в автономном периоде, ведущие колёса проскользнут по полу. Энкодеры моторов решат, что робот проехал вперёд, а свободные колёса измерят реальное смещение от толчка.
Сравнение подходов к локализации
| Показатель | Энкодеры моторов + IMU | Двухколёсная свободная одометрия + IMU | Трёхколёсная свободная одометрия |
|---|---|---|---|
| Стоимость оборудования | R0 (входит в моторы/хаб) | Средняя (2 модуля + крепёж) | Выше (3 модуля + крепёж) |
| Использование портов энкодеров | 4 порта моторов (стандарт) | Заняты 2 порта энкодеров моторов | Заняты 3 порта энкодеров моторов |
| Повторяемость по позиции | ± 80–150 мм на длинных проездах | ± 10–25 мм | ± 5–15 мм |
| Точность курса | Зависит от дрейфа IMU и задержки по рысканью | Контролируется через IMU | Чисто кинематическая (на расчётах) |
| Сложность установки | Нет | Средняя (нужен пружинный поджим) | |
| Рекомендуется | Начинающим и средним командам | Большинству соревнующихся команд | Продвинутым командам, которым нужно высокочастотное отслеживание |
Практика внедрения
Если команда решает перейти на отслеживание свободными колёсами, держите в голове два механических правила. Во-первых, модули должны прижиматься вниз постоянным усилием пружины: если свободное колесо подпрыгнет на стыке пенных плит, оно мгновенно потеряет отслеживание. Во-вторых, убедитесь, что на вашем REV Control Hub или Expansion Hub достаточно свободных портов энкодеров, поскольку каждое свободное колесо занимает один вход энкодера, обычно зарезервированный за мотором.
Южноафриканским командам, закупающим железо на месте, компоненты и электронику соревновательного уровня можно найти в магазине Sheen Robotics, а также посмотреть наши модули соревновательного тренерства на странице поддержки FTC от Sheen Robotics, чтобы помочь вашим программистам грамотно настроить библиотеки профилирования движения.
Вердикт
Не ставьте одометрию на свободных колёсах только потому, что увидели её у топовых команд на YouTube. Ставьте её тогда, когда ваш потолок очков в автономном периоде реально упирается в механическое проскальзывание колёс. Если робот пока с трудом надёжно забивает один предзагруженный элемент, сначала доведите механизмы и пользуйтесь встроенными энкодерами с удержанием курса по IMU. А когда вы будете готовы срезать секунды с циклических траекторий и выполнять многоэлементные автономные программы на полном ходу, свободные колёса — самый эффективный апгрейд из возможных.
