Введение

Конструирование ходовой части робота и выбор компоновки- вопрос правильного выбора компромисса. В компактных роботах ходовую, как правило, выполняют с двумя независимыми ведущими колесами и двумя пассивными колесами или шариками, при этом поворот осуществляется по типу танкового (известного также как «бортовой поворот», далее будем называть более популярным термином «танковый) – вращении ведущих колес в разные стороны, что позволяет делать поворот по минимально возможной площади, как правило ограниченной (снизу) длиной робота. «Танковый» разворот применяют сейчас и в серийных электромобилях 4х4, где на каждое колесо приходится свой электродвигатель. Но в роботах, например, число двигателей ходовой часто ограничено, в том числе и правилами соревнований, и тем что число двигателей в простых роботах (например, на основе Lego) ограничено. Так что мы должны прийти к компромиссу – для танкового разворота нужно чтобы ведомые (пассивные) колеса (возможно это будут колесные шарики) оказывали минимальное сопротивление боковому сносу при развороте, но при движении прямо эти колеса должны максимально поддерживать прямолинейное движение. Получается противоречие- колесные шарики оказывают минимальное сопротивление при боковом движении, но робот с пассивными шариками имеет заметное даже на глаз рыскание, а максимально держащие прямую колеса оказывают большое сопротивление сносу, что приводит к сносу всего робота при повороте. Кстати и рыскание не безобидно- если мы движемся по гироскопу, то частые рыскания интегрируются в гироскопе и приводят к повышенному уровню шума и, таким образом, неправильному определению угла рыскания. Мы предложили и реализовали схему с «Пятым колесом»- выдвигающимся только на время поворота перпендикулярным продольной оси робота колесом, поднимающим пассивные колеса для разворота. Мы сконструировали, протестировали и построили робота по 5-колесной схеме и победили с большим отрывом в соревнованиях по робототехнике  FIRST ROBOTICS CHAMPIONSHIP (бывший FLL чемпионат Lego ) в регионе «Московская область». Заметим, что подобной схемы в литературе и в технике мы не встречали подобную схему, ее нет в описании схем роботов и планетоходов.

Актуальность проекта

Задачи точного движения робота с автономной навигацией на рельефе, или (как в нашем модельном примере) на поле для «Игры роботов», где робот должен двигаться без внешнего управления и систем навигации, использующих внешние источники ориентирования можно решать несколькими методами (а также их комбинацией): привязка к местности (движение по лини, анализ цвета поверхности), ориентация физическими контактами (через направляющие, концевые датчики и др.) и точное движение по полю. Последнее, в общем, является обязательной частью любой навигации. У движения по привязке есть существенный недостаток- даже в простейшем случае, движении по линии, мы вынуждены двигаться со скоростью ниже максимальной (чтобы был запас для регулировки, например, методом пропорционально –интегрально – дифференциального управления) и применять сложные алгоритмы распознавания ветвления линии. При физических контактах мы сильно ограничены небольшим числом возможно подключаемых датчиков, так что точность движения выходит на первый план. При этом движение складывается из поворотов и движения по прямой, по крайней мере можно любой маршрут разбить на эти составляющие. Так что точность будет определяться двумя элементами- движением по прямой и поворотом. Оба этих элемента мы можем контролировать по автономному гироскопу, но – точность гироскопа не абсолютна. Например, в Lego Inventor или Education при движении по замкнутой (по углу рыскания) траектории уход гироскопа может доходить до 7°, что связано с большим количеством мелких рысканий при движении даже по прямой. Ну и конечно задача сделать движение как можно более точным актуально не только в играх роботов, но и при движении настоящих роботов, где, как и в Lego, не всегда хватает вычислительной мощности процессора, точности гироскопа и детальных карт местности.

Результаты нашего проекта.

1.        Мы провели анализ имеющихся решений шасси мобильных роботов и отобрали некоторые для реализации на моделях

2.        Мы сделали модели с различными механизмами шасси и провели их испытания работы

3.        Мы предложили, сконструировали и сделали робота на принципиально новой схеме шасси – два ведущих колеса, два ведомых плюс «пятое колеса», используемое исключительно для танкового разворота

4.        При конструировании робота мы также применили результаты наших испытаний, так что наш робот отличается от существующих решений на платформе Lego тем что он имеет самый низкий центр тяжести, возможность почти «горячей» замены аккумуляторов

5.        Мы провели тестовые испытания роботов с различными шасси и нашего робота и показали, что параметры движения робота – точность поворота, удержание курса, стабильность выполнения маневров – у нашего робота наилучшая.

6.        Мы также победили в Московском региональном чемпионате по робототехнике Lego, значительно опередив занявшие 2 и 3 место команды. Это – сильный аргумент в пользу эффективности нашего решения. 

7.        Мы выложили код и дизайн нашего решения на популярный депозитарий github.