Робогонки в сезоне 2017/2018 — Россия переходит на турбины

Робогонки в сезоне 2017/2018 — Россия переходит на турбины
09.11.2017 Вячеслав Нефедов

Может ли соперничать гоночный робот без турбины с турбоботом? Прошедший фестиваль Робофинист 2017 в Питере не оставлял шансов гонщикам без турбин. Обладатели первых трёх мест в гонках по толстой и тонкой линии, и даже первые два места на линии-профи (гонщики с компьютерным зрением) — турбоботы. Участвуя в зарубежных гонках мы обсуждали варианты турбин для роботов с ведущими мировыми спортсменами и ниже я приведу результаты как наших собственных опытов, так и многочисленных обсуждений вариантов турбин с мировыми лидерами — польскими, мексиканскими и румынскими спортсменами.

Кто такие турбоботы

Давайте внимательно посмотрим на фото сильнейших участников соревнований Роботчеллендж в Пекине в августе 2017 года.

Стрелкой на этом фото обозначены турбины. Давайте посмотрим как ездит турбобот.

Зачем нужны турбины

Основная задача робота-гонщика — удерживаться на линии на максимально высокой скорости. Т.е. в таком роботе борются инерция с одной стороны и сцепление с другой стороны. Сцепление, в свою очередь, зависит от двух показателей — от коэффициента сцепления материала покрышек колёс и от силы, прижимающей робота к полю. Материал можно совершенствовать, о чём мы уже размещали статью ранее — ссылка . Но это процесс сложный, и у улучшения покрышек есть свои пределы. А вот у прижимной силы пределов нет если использовать турбины.

Турбина прижимает робота к полу и увеличивает сцепление колёс. Если турбина с тягой в 100 грамм прижмёт робота весом 100 грамм к полу, то сцепление увеличится в два раза, и это вообще никак не меняя материал колёс!!! Абсолютно читерский способ и на первый взгляд кажется, что современные гонки должны превратиться в соревнования турбин. Это не совсем так, хотя турбина и даёт неоспоримое преимущество. В Польше, где робогонки сильно развиты, соревнования разведены по двум категориям — роботы без турбин и роботы с турбинами.

Давайте посмотрим для примера одного из сильнейших мировых робогонщиков без турбин.

Как вы видите, результат вполне приличный. Но не тот, что мог бы показать турбобот, особенно учитывая значительную разницу в уровне (и цене) используемых компонентов и разницу условий — японский робот на данном случае использует дорогие бессердечниковые моторы Максон против обычных дешёвых моторов Пололу у польского турбобота выше, плюс на японской трассе используется адаптивный контроль — робот в первый проход запоминает профиль трассы и в дальнейшем подстраивает свою скорость под этот профиль. В реальности на соревнованиях по гонкам высокого уровня турбоботы и бестурбинные роботы находятся заведомо в разных условиях и конкурировать не могут.

Турбины и их максимальная тяга

Основные варианты турбин, которые сейчас используются, следующие:

  • Разные варианты EDF27. На самом деле EDF — это просто сокращение от Electric brushless Ducted Fan, т.е. слово «турбина», а 27 — диаметр крыльчатки. Тем не менее, китайские производители наладили массовое производство турбин под этим «брендом», которые в основном отличаются синим полупрозрачным корпусом и низким качеством изготовления. Есть компании, которые делают эти турбины с хорошим качеством, но подделок под эти компании ещё больше;
  • EDF30. Семейство турбин с чуть большим диаметром крыльчатки и таким же синим полупрозрачным корпусом как у EDF27. Посмотрите на фото роботов с Роботчеленджа на крайнего робота справа (Sky Wave, Польша). Видите синий корпус? Как раз EDF30. Интересной особенностью этих турбин является в среднем значительно более высокое качество изготовления, чем у EDF27;
  • Турбины QX 30мм. Одни из самых мощных турбин, используемых для гонок. Такие турбины вы можете увидеть и у нас в магазине — ссылка. На снимке роботов с Роботчеллендж 2017 видны роботы с чёрными турбинами — это как раз они;
  • Турбины, сделанные из комплектов моторов и винтов от гоночных квадрокоптеров.

Вот пример робота, который использует винт и мотор от квадрокоптера:

Давайте сверим что мы знаем про каждый из этих вариантов:

  1. Комплекты от гоночных дронов. Самые лёгкие, самые энергоэффективные (часто потребляют всего два-три ампера). Занимают много места в горизонтальной плоскости. Обладают невысокой тягой;
  2. EDF30. Самые компактные, средняя энергоэффективность. Тяга порядка не больше 100 грамм;
  3. Турбины QX. Размер как у других турбин EDF30. Очень высокая тяга (зачастую больше 200 грамм). Самая низкая энергоэффективность. Эти турбины выпускаются в двух вариантах — 7кв (меньше обороты) и 14кв (выше обороты). Турбины на 14кв могут потреблять больше 20А.

Юбка турбобота. Робот Гринч, Польша

Тяга для турбин в их характеристиках обычно указывается «на весу», в том режиме, когда тяга создаётся отбрасываемым назад турбиной воздухом. На роботах зачастую режим использования турбины другой — с помощью специальной юбки под корпусом робота создаётся зона пониженного давления, из которого воздух откачивается турбиной. В этом режиме тяга турбины, как и потребляемые токи, заметно возрастает.

Зачастую турбины, устанавливаемые на роботов, ограничивают по мощности из-за двух негативных моментов:

  1. Сопротивление движению. Мощная турбина деформирует колёса робота, увеличивая силу трения качения и заметно мешая движению робота. На большинстве роботов мирового класса используются лёгкие металлические колёса, но даже в этом случае мощная турбина отнимет большую долю мощности маршевых моторов. Кроме того, более высокие скорости требуют меньших передаточных чисел и, соответственно, ещё больше мощности маршевых моторов. Выход один — мощные маршевые моторы и уменьшение веса роботов. Обратите внимание на использование четырёх маршевых моторов Pololu у польских чемпионов. Почему не два? Потому, что два мотора вполне бы вытянули робота без турбины, но не турбобота с турбиной QX, да ещё на тех скоростях, на которые способен турбобот. Т.е. вы решили проблему с турбиной? Здорово. Теперь у вас есть проблема с маршевыми моторами. Мы используем тяжелых роботов, но одновременно — и мощные моторы с самодельными редукторами;
  2. Поля из баннерной ткани. Для гонок используется два вида полей — либо твёрдые из специальных ПВХ-плит, либо распечатанные на баннерной ткани. Поле из баннерной ткани может «подсасываться» к турбине, создавая значительное дополнительное сопротивление движению робота. На крупных зарубежных соревнованиях используются поля из твёрдых плит. На соревнованиях в России обычно используются поля, распечатанные на баннерной ткани. Для полей из баннерной ткани нужны специальные приёмы (например, дополнительные опоры), которые не дадут баннеру присосаться к турбине.

Строение турбины — нужны ли запчасти?

Самая простая ситуация с прижимными комплектами, сделанными из частей для дронов. В этом случае отдельно покупается двигатель, комплект винтов (там их зачастую штук 5-10 сразу). Защитное кольцо либо не делается, либо как на наших роботах печатается из пластика. Комплект получается очень надёжным и долговечным, отчасти из-за своей небольшой мощности.

EDF27 зачастую делается из деталей низкого качества и турбина вибрирует на ходу, двигатель может слетать с крепления, повреждать винты или вырывать провода. Это в худших случаях, но от этих случаев сложно страховаться. Разве что выбирать проверенного поставщика и производителя.

Турбины QX отличаются высокими скоростями вращения (как и обычные EDF27 и EDF30) и высокими скоростями движения воздуха в турбине. Любой мелкий предмет, «подобранный» турбиной с пола будет выкинут в сопло и может повредить крыльчатку, и запасная крыльчатка может потребоваться для ремонта повреждённой турбины.

Что нужно турбоботу дополнительно к турбине

Про маршевые моторы и металлические колёса я уже написал. Как вариант ещё пойдут пластиковые недеформируемые колёса (не должны прогибаться под весом робота). Если у вас робот сейчас двигается на моторах Pololu без турбины с редукторами 10:1 на 50% ШИМ, то вы можете захотеть установить турбину и увеличить скорость, запускать робота на 100% ШИМ (полную скорость доступную для моторов). Но скорость при этом может упасть, а не увеличиться, просто из-за того сопротивление робота движению значительно выросло под действием турбины. К тому же мощности моторов будет не хватать для быстрого разгона и торможения и робот станет очень вяло реагировать на повороты.

Т.е. первым пунктом — если вы задумываетесь об установке турбины, вы должны быть 100% уверены в мощности своих моторов и в качестве своих колёс. Когда мы начинали ехать на турбинах, у нас не было никаких проблем по двум причинам. Мы использовали слабые турбины (сделанные из наборов от коптеров) без юбок, а когда шли на максимальном прижиме, то пользовались колесами Фингертек и JSumo, либо печатали сами, стараясь при этом делать их менее деформируемыми. Сейчас мы переходим на лёгкие металлические колёса европейских фирм, если хотите такие же — пожалуйста пишите Татьяне Ивановой по контактам у нас на сайте. Двигатели у нас были Mabushi FK-050 с редукторами Фингертек, такими же, как у нас в продаже. Сейчас мы переходим на аналогичные моторы, но с самодельными редукторами чтобы повысить скорость движения робота, плюс поэкспериментировать с конструкцией моторов (например, с неодимовыми магнитами).

Вот пример, как наш Гермес двигался на соревнованиях Роботчеллендж в Китае на такой схеме (мотор-редукторы Фингертек, колёса JSumo):

Забавно, что во время этой тренировки Гермес обошёл одного из роботов польской команды (единственного польского робота без турбины), на что поляк отреагировал очень спокойно: «сложно ожидать, что робот без турбины обгонит турбобота вне зависимости от качества изготовления».

Второе, что необходимо для турбобота — соответствующая батарея. Т.е. батарея с достаточной токоотдачей. У покупных батарей обычно пишут два параметра — ёмкость в миллиампер-часах (мА*ч или mAh) и токоотдача в числах C (20C, например). Если ёмкость умножить на число С, то получится токоотдача в миллиамперах. Например, берём турбину QX 30мм 14кв, рассчитываем эксплуатировать её на половине мощности, на 10А тока. Берём аккумулятор 1000mAh с токоотдачей 20С — этого хватит на 20А тока. Зачастую для питания турбины используется отдельный аккумулятор, чтобы не было такого, что в какой-то момент турбина будет забирать ток от маршевых моторов или даже обесточивать микроконтроллер робота.

И третье — для турбины нужен контроллер. Причём если более эффективные бесколлекторные моторы редко используют в качестве маршевых двигателей робота из-за их медленной реакции, то для турбин только их и используют. Соответственно, нужен контроллер скорости (ESC) для бесколлекторных моторов. Эти контроллеры продаются в большом количестве для квадрокоптеров и купить их нет никакого труда. Надо только обращать внимание на максимальный ток ESC и на её скорость работы. Дело в том, что в прижимных системах гоночных роботов используются высокоскоростные моторы, для которых нужны такие же высокоскоростные ESC. Для бесколлекторного мотора указывается величина «кв» — количество тысяч оборотов в минуту, выдаваемых мотором на каждый вольт напряжения. Мотор на 14кв — это мотор, который на 7.5В напряжения выдаст 105 тысяч оборотов в минуту. Многие старые ESC не тянут таких оборотов. Можно при покупке либо спрашивать максимальный кв ESC, либо просто спрашивать турбины для гоночных (fpv) дронов. Другой вариант — спрашивать, например, 32-разрядные ESC с прошивкой BLHeli_32.

Тестирование турбин

Если мы используем какие-то новые для нас турбины, то перед установкой на роботов они обязательно тестируются с помощью простейшего дешёвого сервотестера. Кстати, такой сервотестер можно без труда сделать и самому.

Процесс тестирования выглядит примерно таким образом:

Иногда ещё собирается консилиум, чтобы понять насколько ток зависит от того как близко находится турбина к поверхности стола, тогда тестирование выглядит примерно так:

Надеюсь, что этот обзор оказался вам полезен, если у вас будут какие-то интересные новости, идеи, или наоборот будет нужен от нас совет — пишите нам и мы обязательно ответим.