A's LabⅡ

アスラボと読みます。ロボトレースやマイクロマウスの大会に向けて、機体の構造設計・回路設計・基板設計・プログラミングを中心に行っています。趣味のパワーエレクトロニクス系では、テスラコイルやコイルガンなどを製作・評価・改善を繰り返しています。興味を持って頂ければ幸いです。アドバイスや感想などございましたらコメント欄にお願いします。

!!DANGER HIGH VOLTAGE!!
このブログには生命に関わる危険な記事が含まれています。
強電系の工作にはある程度の知識をつけてから全て自己責任でお願いします。
この記事を参考にして事故が起きましても、当方は一切責任を負いませんので予めご理解ください。

ASmouse_Ear(一作目マイクロマウス)のハード完成

前回の更新では基板にある程度の部品を付けて電源を投入し、バッテリー電圧とジャイロの値がPCへ送れるところまでやりました。今月の進捗は一応ハードが完成して、DCモーターの基本的な制御ができるようになりました。
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 一応完成というのは、電気的には完成という意味で、モーターのケーブル が長すぎで切らないといけない物理的な作業が残っているからです。スピードを出せない内は低重心化はそれほど必要ありませんが、見た目や持ち運び等考 えると邪魔なので近いうちに切ろうと思っています。Faulhaberの1717という高価なものを使っているので、ケーブルの切断を躊躇ってしまいます...

ASmouse_Earのスペックは以下の通りです。
マイコン:RX631
センサー:ST-1KL3A(フォトトランジスタ)
MPU6000(ジャイロ)
 IE-512(エンコーダ)
モーター:Faulhaber_1717
バッテリ:LiPo_2S(7.4V)120mAh
重量:100g(バッテリー含む)
サイズ:100*69*24(ケーブル除く)
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 モーターマウントはCNCで切削しました。1717 を使用したマウスでは、モーターマウントやピニオンギヤ云々で、ある程度トレッド幅が決まってしまいます。それでも、もう少し縮められそうな気がしたの で、先輩たちのトレッドより9mm程狭くして設計してみました。トレッドは狭ければいいというわけではないのは百も承知ですが、トレッドが狭ければ多少ス リップしても壁に当たる率を落とせるのではないかと考えました。余裕をもってスラロームするために、なるべくトレッドを狭くしようと思い、次のことを行い ました。

 まずは共立電子のモジュール0.5_12枚歯の穴径φ2mmのピニオンギヤを購入します。元々、モジュール0.5_12枚歯穴径φ1.5mmのギヤの入手が難しかったので、手元にあるギヤで解決しようとしたらトレッドが狭められそうだなと思ったのがきっかけです。1717のシャフトはφ1.5mmなので、共立のギヤでは填らないんです。そこでポムをφ2mm,長さ5mmの円柱にCNCで切削して、ギヤに圧入します。
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 簡単そうですが、小さすぎるので力が入らず難しいです。先輩に相談すると、バイスに両面テープを張って、ポムとギヤを両側に張り付けて位置を微調整をしながら圧入するといいとアドバイスをいただき、ゆっくりと圧入していくことにしました。すると見事に填ってくれました。

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 次にピニオンギヤを5mm厚から2.5mm厚までCNCで薄くします。スパーギヤが2mmなので、ピニオンも2mmにしようかと思いましたが、あまり薄くするとピニオンギアが滑って信頼性に欠けるので、気持ち太めにしました。

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そして最後にφ1.5mmの穴を中心に空ければ1717に填るピニオンギヤの完成です。製作費は25円!

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 モーターマウントにモーターとタイヤを取り付け、スルスル回ることを確認して一安心です。作ってからわかったのですが、設計が甘いせいで色々と隙間ができたので、まだ3mmほどトレッドを狭められそうです。次回作では修正します。この画像では仮止めなのでベアリングが入っていませんが、完成形ではタイヤ1つにベアリングを2つ入れて両持ちにしています。その二つのベアリングの間にスペーサーを入れたり、両外側にもスペーサーを入れることによって、ネジを強く締めても引っ掛かりが軽減されます。このことについては他の方が詳しくまとめられているので割愛します。

 4輪になっていますが、最初の内は2輪で行こうと思います。4輪だと再現性があまり良くないとのことなので、壁補正や壁切れ補正等できるようになってからにします。

 早速2輪でゼロフィードバックをやってみました。よく宴会芸と言われているものです。角速度をゼロに近づけるようにPID制御を掛けています。D制御をうまく追加できなかったので、 実質PI制御になっています。ゲイン調整の問題なのか根本的に数式が違うのかはまだ分かっていません。きっと何か勘違いしていると思います。こんな制御では誤差が貯まり過ぎてまともに使えません。
 動画の中で箱を前後に振る様子がありますが、これはエンコーダーを使い、機体の位置もPIDで0に近づけている確認です。この動画でやっていることをまとめ ると、エンコーダーを使って機体の速度を求め、ジャイロを使って角速度を測定し、ゼロからの差分を実測値の角速度とします。目標値はゼロなので、それらの 目標値と実測の角速度を使えばPID制御が組めると思います。DCモーターを使ったマウスでは、この動作を使いながら走行することにより、左右のタイヤの 直径が少しくらい違っても、自分で補正を掛けながら真っすぐ走ってくれるようになります。実際に私のマウスも右のほうが若干小さいのですが、補正をかけて 真っすぐ走ってくれているみたいです。
<補足>
 先ほど先輩から電話でご指摘がありました。「タイヤとホイールはタミヤの既製品を使っているのであれば、直径が違うなんてことはそうないから、この場合はギヤの干渉の違いとかタイヤの締め付け具合などの要因を疑うべき。タイヤの直径が違うだけならその分タイヤの直径値をソフトで調整してやればいいだけ。変に干渉する問題を解決するためにゼロフィードバックを使うといい」とのことです。ご指摘ありがとうございます。

 エンコーダーを使って速度を求めることについてですが、1717に装着している一回転あたり512 パルス(※1)を出力する高分解能であれば、1msで計算させてもある程度正確な速度が求められています。高分解能なエンコーダーでも、自分で取り付けるとなるとズレが生じるので、そこはサンプリングタイムを伸ばして移動平均を取ったり、カルマンフィルタを使うなど、少し面倒なことをしないと使える値が取れないらしいので、最初の内はエンコーダー付きの既製品を買った方がいいかもしれません。
(※1)2相のパルスのエッジを検出させているので、実質4倍の分解能で計算しています。

 これは最初の動画でやっていた角速度補正を掛けつつ、前後に台形加速させてゆらゆらしている様子です。加速度と最高速度を設定して、500ms加速 →500ms減速→500ms後ろに加速→500ms減速をループしています。この時からモード選択機能を追加したので、動作まで少し時間がかかるように なりました。モード選択はタイヤを回してエンコーダー値を足し引きして設定します。モード数に応じた値をLEDを使って2進数表示させていますが、バッテリーに隠れて見えません!スイッチもそうですが、バッテリーが邪魔で押しづらいです。次回は気を付けます・・・

 製作に当たって手こずったことは、センサー値が4個中2個取れなかったことです。原因はセンサーが死んでいることによる不具合でした。正常なフォトトランジスタは、太陽光を当てると抵抗値が変化するのに対し、不良品のフォトトランジスタは全く抵抗値が変化しません。このセンサーの入手先はEabyなので文句は言えません。とても安かったので・・・。
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 10個買ったのですが、そのうち5個が不良品でした。Eabyで半導体を購入したら、まずは個別に動作チェックをしてから実機に取り付けるようにしないと無駄に時間を取られてしまいます。

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 左が本物ですが、寸法や見た目は大体同じです。しかし刻印のされ方が違います。やっぱりまがい物です。同じ環境に置いての抵抗値も本物と違います。それでも偽物は偽物でまとまった値を返してくれているので、動作品を選別すれば使えそうなので使っています。壁の判別や補正等、問題なさそうな値が得られているので、今作はこれで行きます。

 これから迷路を走らせるためにプログラムを組んでいきたいのですが、応用数学と量子力学と原子力の中間テストがあったり、物理学Ⅲと一般教養のレポートがこの時期にあるのでマウスをやっている時間があまり取れません。(今は量子力学より古典力学の方が必要なんだよ...)それでいて来週はマイクロマウス合宿でプチ大会に応募しているため、マップ記憶とかそんなレベルは望んでないので、とにかく迷路を隈なく走り回れるようなプログラムを組まないといけません。右手法や左手法では完走できないコースにしてくると思うので、ダンゴムシのように左に曲がったら次は右みたいな独特なものにしても面白いと思いますし、曲がる方向をランダムにして運任せに進めるのも面白いかもしれません。運任せだと一発で最短経路を行ける可能性も・・・!

ということで、一週間後にはある程度走れるようになってることに期待して今月の進捗報告とします。

マイクロマウス始めました。

 すっかり暖かくなり過ごしやすい季節になりました。こんな季節はお昼寝が捗ります。サークルには新入生が数人来てくれました。まだ名前を覚えきれていないので頑張らないといけません。

 さてさて、1年ほど前のブログ更新で、私がサークルに入部してマイクロマウス班に入ったと書きましたが、1年間全くマウスに触れずに終わってしまいました。新入生が入ってきて、流石にマウスを全く知らないマウス班の先輩では駄目だということで、かなり急ピッチで基板データを作って発注しました。届いたのがこちら。
image

 機体の名前は "ASmouse_Ear" です。前辺りがネズミの耳みたいになっているのでearということで。こんな形にするのも最初だから出来ることだと思っています。A先輩からは「復帰する気がない」と言われましたが、そこまで盛大に柱に当たったら諦めていいかなと今作の段階では思っています。それよりも丈夫さと肉抜きを優先しました。基板厚は1.2mmです。この機体である程度ソフト面を高めてから、挑戦した形にしていきたいと思っています。
 これには特に面白い部品は載っていません。強いて言えば大きめのフルカラーLEDが乗っていたり、使いもしないFETが乗っていたりしますが、普通のマウスです。"使いもしないFET"というのは希望であって、もし手元にFETの在庫がないときに死なれた場合、半田ごてさえあればその場で修理して走らせることができます。基板にスペースがあるので飾り感覚で乗せてます。重さなんて気にする必要もないくらい軽いので積極的に備えておきましょう。

 書き込みができてLチカしている様子
 そうですね。前回の基板は燃えて終わったので、今回の基板はライブラリを念入りにチェックして発注しました。アルファの機体で使った部品とライブラリを使ったので、確認する必要もない気がしますが無駄に神経質になってしまいます。

 今のところマウスの進捗はこのくらいです。あとはモーターと壁センサーを手に入れて、モーターマウントを掘ればハードは完成するかな?マウスに関する知識が致命的にないので、これから勉強していきます。

 ここからはトレーサーの話になります。
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 AliExpressでFAULHABERのモーターを中古で買ってみました。1524の9V版です。6V版でも抵抗値が高いなどの理由で4.5Vや3V版を使用する人がいるなかで、9V版を使っていきます。好きで9Vのモーターを買ったわけではなく、手ごろな値段のモーターで、いい感じの大きさといい感じのエンコーダーが付いているのは魅力的です。マウス同様、このモーターでソフト面を高めてから、いいモーターを使っていこうと考えています。因みに値段は1つ二千円弱です。送料も無料です。

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 しかしギヤ付きです。19:1の遊星ギヤが乗っています。トレッド的に無理でもなさそうなサイズですが、明らかに重りを積んで走っているだけなので、分解を試みます。

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 バイスに挟んでプライヤーで第一関節辺りを捻れば取れます。ネジではなく圧入してあるだけなので、グリグリ左右に振れば簡単に外れます。

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 第二関節はネジでとまっているので、プライヤーで外そうとしないようにしましょう。

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 遊星ギヤは手で回して遊びます。

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ギヤヘッドに付いていたギヤはモジュール0.5の12枚歯でしたが、中のギヤはモジュール0.3の15枚歯でした。既製品はギヤがズレることもなくていいですね。

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そのモーターに対応するスパーギヤも購入しました。70枚歯です。バイヤーから2つおまけしてくれました。

 ここからは2枚目の基板の話になります。
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 マウスと一緒に発注したのはこの基板です。全体の写真は撮り損ねました。この写真はシルク印刷とドリル穴のズレが酷かったので、正常なものと比較したものです。手前の基板は圧倒的にズレてます。このようなことはTwitterで話さず身内でのみ話をしましょう。E〇e〇low氏のエゴサに引っかかってファボとフォローが飛んできます。

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 こちらは電光掲示板キーホルダーのマイコンをはんだ付けしようとしている様子。パッドが小さすぎました。マウスに使用したジャイロの2倍くらいはんだ付けが難しいです。まだ動作確認は行っていませんが、多分はんだ不良で動きません。時間があるときに作業を進めます。

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 こちらは表面実装版コッククロフト・ウォルトン回路です。調べれば出てくると思いますが、簡単に原理を説明すると、各コンデンサにダイオードを通して並列に電荷を溜めていき、交流の特性である極が逆になったとき、全てのコンデンサがダイオードを通して直列になり、入力電圧の十数倍の電圧が得られるものです。段数によって更に上げられますが、ダイオードの順方向電圧やコンデンサのESR等の影響で10kV程で頭打ちになるという情報もあります。特性の良い部品を使って絶縁油に落とせばもっと伸びるはずです。コンデンサについては、最適な種類はどれなのかを実験してデータを取っていた海外サイトがあったので、興味のある人は探してみてください。
100kΩ程の抵抗をグランドに接続して放電端子に近づけた様子です。

やはり無理があったようです。想像通りなので痛くありません。まだ予備が沢山あるので、コンデンサを変えたりしてコンパクトなスタンガン高電圧発生回路を開発しようとしています。(そういえばマウスの形もスタンガンって言われたっけなぁ)

因みに高校2年の時に作ったスタンガンがこちらです。
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これは電源も含めて手のひらサイズに収まっていました。今回はこれの1/10サイズを目指します。

それと最後に、Twitterのフォロワー数が600人行きました。今後ともよろしくお願いします。 

熱田の森大会2016に参加しました。

 大学の春休みって長いですね。中学高校の夏休み程あるって不思議な感覚です。だからと言って成長したことは特に何もありませんが。

さて本題です。前回のブログ更新から一週間ほどで基板が到着しました。発注先はElecrowです。
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よくこんな折れそうで危ない基板を作ってくれましたね・・・
CNCで切削時の固定方が気になるレベルです。赤色がセンサー基板で青色がメイン基板です。

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 仮組みするとこんな感じに。CAD通りの見た目になりました。基板の設計をしていたときは3DCADを使っていなかったので分かりませんでしたが、もう少し後ろの付け根部分を強化した方がよかったです。この部分はデザイン的な意味で置いたのが大きいですが、急激な加速でもウィリーしないようにという期待も込められています。まあタイヤのスリップのことを考えると急激な加速なんて無理なんですけどね。

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 今回遊んでみたのはここです。長方形のパッドを置いて上からレジスト禁止レイヤーで、ごちうさ風のロゴを作って載せてみました。演算器の演(ごちうさバージョン)です。特に私はごちうさを見ているわけでもなんでもありませんが、スペースが余っていたのでやってみました。CYW_gpZUwAEDXTE
 本当はこのように全ロゴを入れたかったのですが、流石にこの小ささで細かいことをするのは無理だと判断しました。CADで見る大きさと、実物の大きさが違い過ぎて感覚が狂ってしまいます。この基板を作ったときは知識不足で、ジャイロの位置がおかしかったり裏面に配線を回しすぎてたり、変に6pinのピンヘッダがあったりと、あんまりこの画像は出し無くなかったんですけどね...

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 そしてこれも遊んでみたやつです。こちらは「演」と違い、長方形のパターンではなく、ロゴの形のパターンを作って、同じくロゴの形のレジスト禁止レイヤーを乗せました。パターンを全面に置いたままにすると、バックが明るい赤になるみたいです。どちらにせよ綺麗な光沢のある文字が書けて面白いです。

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 それとどうでもいいことなのですが、スマホのカメラの性能に感動しています。拡大レンズを付けなくてもこのサイズで拡大できます。スマホはXPERIA_Z3_compactです。画像の中央にあるのはセラロックですが、文字の確認に使いました。セラロックには向きがあるとサークル内で話題になってました。
セラロック®を逆接続するとなぜ周波数ズレが発生するのでしょうか?
逆方向に実装した場合、問題が発生しますか?
 向きに気を付けた方がいいとここまで書かれていますが、実際に発生する許容誤差は最大で±0.1%であり、セラロック自体の許容誤差範囲よりも小さいんですね。時計などのクロック精度が必要なものを作るときは水晶発振器など高精度なものを使うことになると思いますが、セラロックを使ってる時点でそこまで気に掛けることでもないのかなと思います。

 さて、マイコンとセラロック、レギュレータやLEDを取り付けて早速火入れ(電源投入)です。その前に電源入力端子の抵抗値を測定して、ショートしていないか、電源スイッチが正常に動作しているかを確認します。そりゃ回路が燃えるかもしれないんですから念入りに確認しますよね。リポもショートさせると危険ですし。
 天気が良くて清々しい日、部室には先輩二人と私の3人でこたつに入って作業をしていました。念入りにテストしたところで電源投入です。
まずは電源スイッチが切れてることを確認してリポを接続します。
僕「さーて電源投入します。燃えたらすみませんね。」
先輩「ちょっ!燃えてる!」
基板「モクモク(煙)」
僕「えっ!」

 と言うわけでですね、今作の機体は死にました。レギュレータから煙を吹いて高価なマイコンも死にました。フラグを建ててから僅か1秒後のことでした。先輩の方を向いて話してた隙にやられました。皆さんはお気づきですか?まだ電源スイッチを入れてないんですよ。動作確認の時は正常に機能していたんです・・・。スイッチさえ機能していれば被害はここまで酷くなかったかもしれないのに。スイッチ不良事件はアルファ(前作の機体)でも起こったことなので、安いスイッチは止めておいた方がいいかもしれませんね。
 原因を追究していくと、問題はレギュレータのライブラリのミスでした。アルファではピン配置をしっかり確認していたのに、アスペラ(今作の機体)では適当に使っていたことを思い出しました。パッケージだけ同じでもピンアサインが違うことはよくあるのに・・・なんとした・・・
 それでも大会までのカウントダウンは進んでいきます。あと2週間。今回の大会に突貫工事の中途半端で不格好な機体を出場させるよりも、基板の設計からやり直したいと思い、前作の機体を改良して大会に出ることにしました。基板の間違いはレギュレータだけでなく、マイコンの使用ピンも色々とミスっていたので丁度よかったかもしれません。

後悔していても仕方がないので、早速アルファの改良からです。
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 分かりにくいですが、モーターを直列接続から並列に変更しました。このモーターは元々1セルのバッテリーで使うように設計されたモーターなので、2セルのバッテリーで使うなら直列にした方がいいかなと思い直列にしていたのですが、どうしてもトルクが頭打ちになってしまいました。そこで思い切って並列に変更したのですが、全く安定しない・・・。勿論ゲイン調整等やり直しですが、調整が上手くいきません。辛うじてライントレースはするものの、かなり不安定な状態です。並列にすることで何か弊害があるのでしょうか。ブラシのかみ合わせ部分のタイミングがおかしくなって調子が狂うとか。。。よくわかりません。

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 デバッグ風景です。小さいころ憧れてたっけな。手を止めることなくカタカタ書き進められるのはほんの一部の時間であることは想定外でした。

大会のコースは事前に公開されています。しかしここまで大きなコースは作れないので、部分的な練習ができるように考えてサークル内でもコースを作って練習しました。

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 2016年3月20日、熱田の森大会は名〇屋工学〇専門〇校で行われました。福井から3時間ほどで到着です。送っていただいた先輩方ありがとうございました。

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 大会では練習よりもコースが滑らかできれいなので、基本スピードを高めて本番に臨みました。その選択は大失敗で、3回走らせられる内1回もゴールまで辿り着けませんでした。ラインセンサーのポートが11個中6個死んでいて、実際に使っているのは4つだけなので、速度を上げるのは馬鹿げた行為でした。

 そしてロボスプリントという競技にも参加しました。写真を撮り損ねてしまったのが残念です。スプリントとは一直線に引かれたラインを走り、一定距離をどれだけの時間でゴールできるかを競う競技です。ブレーキゾーンでしっかり停止しないと記録になりません。練習風景はこんな感じです。

 スプリントに関してですが、ルール説明をしっかり把握していなかったので滅茶苦茶でした。大会にはAコースとBコースがあり、どちらかを選択できるものだと思っていたのですが、2回走らせるうち、毎回コースを入れ替えられることは知りませんでした。サイトの規定には目を通していたのですが、そこまでしっかり書かれていないんですね。来年はスプリント専用の機体を作って大会に出たいと思います。トレーサーでは速度を出し過ぎてはいけないことを今大会で気づきました。

 今回の大会は皆さんの素晴らしい機体を拝見するという目的と考えると、とてもいい時間が過ごせたと思います。ありがとうございました。

ここからはおまけです。
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 某海外ネットショップでモーターを購入しました。形がいい感じで値段も150円と安くて買ってみたのですが、コアドモーターのヤバいやつでした。分解能が5くらいしかなく、指でやっと回せるくらいのカクカクです。トレーサーに使おうとコアレスモーターを期待していましたが全然違いました。部品箱で眠ってもらいます。

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 そして5mm四方のマイコンです。よくArduinoに使われているATmega328ですが、ここまで小さいものもあるんですね。価格は1個$1しないくらいで購入できました。はんだ付けできるかが問題です。電光掲示板キーホルダーの駆動に使用します。

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 電光掲示板キーホルダー用に色々買いました。海外のネットショップが安すぎて買いすぎてしまいます。ここまでくると量産も考えてきます。マイクロUSBは秋〇で買うと5個300円なのですが、海外で買うと50個200円なんですよ。よくわかりませんね。左のリールは赤色LED1000個です。750円ほどでした。

 今考えているのは、マウスとトレーサーの基板を発注するのと同時に電光掲示板キーホルダーの試作基板を発注して、正常に動作することを確認出来たら、基板をマットブラック、金フラッシュにして発注してみようと企んでいます。思い通りになってくれるといいんですけどね。
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