A's LabⅡ

アスラボと読みます。マイクロマウスやロボトレースの大会に向けて、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。アドバイスや質問、感想などございましたらコメント欄にお願いします。 また、私のブログは背景が暗めの設定を想定しているため、白背景では文字が読みづらい点があります。

マイクロマウス・ロボトレース

2017年、明けましておめでとうございます

 新年あけましておめでとうございます。早い、早すぎる!年が明けたということは、目標と現実の偏差の確認をしないといけませんね。早速昨年を総括しようと思います。

 まずは2016年前半に立てた目標を見てみます。正直、私も何を書いたか覚えていなくて不安になりました。案の定、力を入れる方向が変わっていました。

>今年の一番目先の目標は現在製作中(まだ基板CADの段階)のトレーサーを2月中に完成させて、3月 19日の熱田の森大会に出場して前作よりスピードを出して完走させることです。とありますが、これは残念ながら達成せず。基板を設計して製作するも、いざ電源を入れると煙がモクモク・・・レギュレータのライブラリの設計ミスでした。基板CADに予め付属しているライブラリを使ったのが失敗でした。レギュレータのピン配置違うじゃん。というわけで熱田の森大会は2015全日本で出場した機体をブラッシュアップして出場することに。しかし、モーターの接続方法を変えると制御が安定しなくなり、フラフラしながら走行し、完走直前でリタイアという事態に。この大会でAStrace_αには引退してもらいました。モーターを並列接続するとインダクタンスが落ちるのでやめた方がいい気がします。モーターを並列の様に扱いたいなら、モータードライバを個別に挟んで駆動した方がいいと思います。速度制御なしの、モーターにかける電圧を直接弄っての走行ゆえ安定しなかったのかもしれないので、根本的な原因はわかりません。ただモーターを直列接続していた時はまだマシだったので、不安定要素はあるかもしれません。
 また、たまにモーターの特性をシミュレーションする際に、モーターのデータシートに記載されてるインダクタンスをそのまま使用されている方がいますが、殆どのデーターシートはサンプリング周波数1kHzで測定されてるので、100kHzのPWMで駆動するなら、サンプリング周波数を変更できるLCRメーターで実測した方がいいと思います。周波数が二桁違うと、それなりにインダクタンスが上がるので、シミュレーション結果も変わってきます。

 さて、トレーサーの基板が燃えたしマウスに移ろうか。その判断が結果的に正解でした。
>全日本のフレッシュマンクラスでゴールまで導ける機体を作りたいと考えています。
 当時はトレーサーに力を入れてマウスはサブ的に考えていたので、このような目標だったのだと思います。マウスよりトレーサーの方がスピード出せるし楽しそうと考えていたのですが、今思えば白線をトレースしながら加速するよりも、壁をトレースしながら加速する方が圧倒的に加速度を上げやすいことに当時は気付きませんでした。そもそもトレーサーで既探索加速をしたことがないので、どれくらいのスピードで制御が破綻するのか感覚的に掴めていません。

 次に夏休み前に立てた目標も振り返ります。
【マイクロマウス】
・ミニマムサクセス
    そこそこ賢い探索アルゴリズムの実装
・ミッションサクセス
    フレッシュマン3位以内
・フルサクセス
    最短経路を斜め加減速走行してゴールする
・エクストラサクセス
    吸引機構を搭載したマウスを製作して吸引してゴール。

 これとロボトレースの目標も立てていたのですが、マウスに専念してからの方が合理的だということで切りました。
○まずはミニマムサクセス
 探索アルゴリズムについてはあまり凝ったことはできませんでした。探索が安定しない内に下手なことをするとマップが崩れて最短走行ができないからです。大会直前で探索が安定しましたが、それは袋小路で機体を壁に押し当てて姿勢を整える動作を入れたからです。この方法はなるべく避けたかったのですが、不安定なので仕方ありません。
○そしてミッションサクセスとフルサクセス
 これはいい結果が残せてよかったと思います。
○最後のエクストラサクセス
 フレッシュマンで吸引機構は流石にやってはいけない雰囲気でしたね。完全に場違い感あります。これはやらなくて正解だったなと(笑)

 まとめると目標達成です。目標は後々見返せるように残した方が達成率が上がります(私の経験則)。更にブログで公開すれば自分を追い込むことができるので一石二鳥です。Twitterは流れるので残そうと思って書くものではありません。わざわざ遡るのも時間の無駄ですし。

 そして今後の目標を書きます。
 まずは草の根大会にクラシックマウスで出場できることを目標とします。余裕があればハーフマウスとトレーサーも出したいですが、マウスのスラローム生成ソフトの開発で終わる気がします。草の根大会までにはトレーサーの試作機は完成していてほしいです。まずは凝ったことせずに基本的なプログラムをささっと構築したいです。マウスで得た補正の知識をトレーサーにも色々と応用できそうなので、早くトレーサーの機体が欲しいです。誰かください(冗談)
 今年の総合的な目標は、全日本でクラシックとトレースでダブル入賞を目指します。今年はハーフマウスはやらないつもりでしたが、クラシックを設計していたらハーフでも走れそうな部品配置になってしまったので、ついでに作ってみます。ハーフを触ることによってクラシックの安定性を上げる方法を思いつきそうで、同じ迷路同じ機体で調整するよりも、環境を変えることによって発想を変えた制御にたどり着けるのではないかと期待しています。ハーフで制御を詰めようと思うと柱が何本あっても足りそうにないので怖いです。

 今のところ新作マウス(Trifilar)は以下の形状を想像しています。
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 これはハーフエディションです。クラシック版は縦にもう少し伸びるかもしれません。むしろ伸ばさないと理想的な壁切れができそうにありません。クラシックとハーフでは、単純に一区画の面積を1/4として考えて設計するだけではいけないと思います。小さい機体を走らせる場合は、それだけ位置がズレる可能性があるということなので、より高度な補正の制御が必要になります。幅が広いマウスは、ある程度位置がズレると壁当て補正に頼ることができますが、小さいマウスは位置のリミッターを緩めたような状態になっていることに注意が必要です。私の様な素人が手を出していいのかわかりませんが、この形に挑戦しないと勝てそうにないので仕方ありません。また、このスクショは一カ月前に撮ったもので、今は少し構想が変わっています。他のイベントが忙しくてマウスをする時間が取れていません。言い忘れましたが、バッテリーは機体のド真ん中に置きます。理想的な形に少し近づけた気がします。

 今回新作マウスを作るにあたり、モーターを変更するというのが一番大きなポイントで、上手いことやらないと購入を断念した1717に劣ってしまいます。私は1717を嫌って使わないのではなく、軽いモーターに魅力を感じて採用しようとしています。機体は軽い方が加速が良くなります。ただしモーターに十分なトルクがある場合に限ります。軽さの長所が活かせる構成にするために、海外サイトからモーターを大量に輸入して、手に取って選別し考えることにしました。
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 モーターは消耗品ですので、安いモーターを多めにストックして酷使するのが私のやり方です。特に小さいモーターに過負荷を掛けて駆動するので、いつ壊れてもおかしくありません。因みに今回使用するモーターは5V版で、3Cell@100mAhのリポで駆動します。最近はモーターの端子間抵抗の小さいものが流行りですが、あまりトルク定数を落とすのもよろしくないかと。私の妄想上では、鬼加速と一般的な最高速度が出せるスペックになっていますがどうでしょうね。鬼加速には吸引ファンのツインドライブで重心移動させることにより実現できないかと考えています。実車で例えると、加速時はFR、減速時はMRのようなマシン特性に一瞬で行えるかもしれないということです。楽しみです。

 そして冬休みの進捗ですが、スリップ角を考慮したスラロームシミュレータを作りました。クロソイドから円弧になりクロソイドで終端するスラロームの平均遠心力を求め、それにグリップ係数を掛けたものを平均スリップ角とし、理論値の軌道にオフセットします。そして終端角度だけ合わせてやれば、途中経過の軌跡はスリップ角を固定しているため不自然でも、終端位置は割と正確に出るのではないでしょうか。大会会場でグリップ係数だけキャリブレーションすれば、スラロームの理論値と平均スリップ角から終端位置がわかり、シミュレータ上でパラメータを作成すれば、ほぼ無調整で適切なスラロームを実装できる気がします。やってみないとわかりませんけどね。現実味は帯びてきました。

 あと久しぶりにYouTubeに動画を投稿しました。


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 ちょっといじわるな迷路を作ってみました。迷路の解説をすると、まずは連続ターンで姿勢を崩させ、そのまま壁補正をする場所も殆どないままL字の櫛に突入。櫛では壁補正ができないどころか、壁補正のゲインが高いと逆に姿勢を崩してしまう難関です。櫛を抜けるとまた壁補正する暇もなく長い斜めに入ります。斜め走行は単純に道幅が狭くなるので、侵入時の位置がシビアになります。長い斜めが終わるとまた斜め、また斜め・・・。この連続斜め走行を終えてゴールです。探索も難しそうですね。Bifilarで探索を3回させてみましたが、一度もコケることはありませんでした。前壁補正恐るべし。


音出し推奨(ぶつかった場所がわかります)
 難しそうな迷路ですが、Bifilarはガツガツぶつかってもゴールしてしまうことがあります。私もなぜ完走できるのかわかりません。多分、壁切れ補正と角度補正と壁/柱補正のおかげです。一応フェイルセーフは入っていますが、この程度では掛からないようにしています。具体的には、左右のタイヤの回転速度の差分を1msごとに監視して、一定速度を超えたらフェイルセーフが働くようにしています。お気づきだと思いますが、機体が宙に浮いたらフェイルセーフが働きます。正確には片輪が浮いたら止まるという感じです。とても合理的な方法だと思います。(ただし丈夫な機体に限る)
 実はBifilarは一度もはんだ/部品のクラックを経験していません。はんだ付けしやすいサイズの部品を使うことと、基板を肉抜きして歪むと思われる場所に精密な部品を置かないことがポイントだと思います。

 その他も色々動画を投稿したので、興味のある方はYouTubeアカウントからご覧ください。それでは今年も圧倒的成長と圧倒的進捗に期待して良い年にしましょう!!

2016年CLフレッシュマン優勝!

全日本マイクロマウス大会お疲れさまでした。大会の運営関係者の方々に感謝申し上げます。

今年の全日本大会、本当に焦りました。まずは会場に入ったところからお話しします。全日本大会には前日入りはせず、試走会に参加せずに一発本番を決めようと思っていました。会場に到着したのが少し早かったので、試走の迷路が置いてあるということで試しに走らせました。すると見事に前壁を読み違えて全く進まない!?これはまずい。すぐにセンサー関係の部品が壊れていないかを疑ってセンサー値をPCで確認するも問題なし。それで一安心するものの、今から閾値調整をして前壁補正の値を変えてで色々しないといけないのはバグを生む原因になって怖いし、流石に時間が足りなそう。そんなことをしているうちに、もうフレッシュマンの予選は始まっていました。幸いなことに、私の出走は108番目。最後から二番目でした。今のうちにすべてを調整しないといけないということで必死でした。まずわかったことは、会場の迷路は反射率が異常に高いこと。1kHzでセンサーにフィルターは掛けていますが、得られるセンサー値は会場と部室で全く違いました。部室の迷路では角度依存を殆どしなかったセンサーが、大会会場では角度によってセンサー値が全く違う・・・そこにK先輩が駆けつけてくれました。焦っている私に落ち着いて対処法を一緒に考えていただけました。まず、Bifilarの真正面についているセンサーは角度依存により使いものになりません。急遽左右についた前センサーに役割を受け渡す作業を開始しました。その辺のプログラムは簡単に書き換えられるように工夫して予め作ってあったので、変更は時間がかからずにできました。あとは壁の閾値調整と前壁補正のゲインを勘で決めたらある程度安定して動いていたので一安心。フレッシュマンの出走順を確認すると、この時点で60番くらいの人が出走を終えていました。もう少し時間があるので試走を続けていると、様々な人から声を掛けていただき、お話をすることができました。正直そんなに精神的な余裕はありませんでした。会場で問題だったのはセンサーの値だけのようで、最短走行のパラメータは何も調整せずとも安定していました。今思い返すとセンサー値が違うのに壁補正のゲインを触っていなかったことに気付きました。まあ適切なゲイン値から定数倍されたところで暴れるような制御の入れ方はしていないので大丈夫だとは思いますが。それと部室の迷路で壁補正を少し低めに設定していたのが良かったのかもしれません。いざフレッシュマンの予選に向かうと、結構期待されてしまっていて本当に神に祈る気持ちで走らせていました。会場で閾値調整をしたことによって、部室で走らせていた時の様に安定していて安心しました。ここまでが午前中の出来事だったとは...これからは前日入りしてしっかりと試走をするか、会場でセンサーのキャリブレーションや閾値調整をすぐに済ませられるモードを作らないといけないなと強く実感しました。今大会でどこを調整しないといけないかがわかったので、次の大会までにはキャリブレーションできるようにしようと思います。


さて、結果的な順位からすると優勝することができましたが、初代田代賞を取られた某F氏もフレッシュマンなところ辞退してエキスパートに参加されて4位を取られたとのことで、そちらの方が何倍も価値があることを先に述べておきます。私の機体では吸引機構が搭載されていないこととソフト共に全く敵わない方です。ただ、来年は負けないので覚悟していてください!(後々言わなきゃよかったと後悔するアレ)
それと誰からも聞かれていませんが、今大会で使用したパラメータを、来年のフレッシュマンに向けて公開しようと思います。ただ、DCモーターの板マウスじゃないと参考にならないかもです。ステッピングモーターを使ったことがないのでわかりませんが。来年のフレッシュマンでは最近オーソドックスになってきているDCモーター変則四輪吸引が出るんですかね。楽しみです。

まずは予選の結果
1走目:探索走行    成功(往復成功)
2走目:最短走行    00:02.788(往復成功)
3走目:最短走行    00:03.???(往復失敗)

そして決勝の結果
1走目:探索走行    00:33.500(往復成功)
2走目:最短走行    00:06.195(往復成功)
3走目:最短走行    00:06.135(往復成功)
4走目:最短走行    R
5走目:最短走行    00:05.454(往復失敗)

走行結果を並べてみると、大会の会場でも走破性高かったなと思います。
と言ってもまだこのマシンの限界は引き出せてないわけですし、力を持て余して走破性を語っても仕方ありませんが。まず予選の3走目ですが、動画を見直したところ、機体を置いたときの初期角度がズレていたような動きをしていました。Bifilarはジャイロから得られる角度を参照しながら壁情報を反映させるように壁補正を掛けているので、初期角度がズレると何も合わなくなります。それでも短い迷路だったので、最後は前壁補正でゴリ押ししてゴールにはなったものの、2走目の方がいいタイムでした。決勝4走目のリタイヤについては後に記載します。

続いては走行パラメータを公開

<フレッシュマン予選の走行パラメータ>
1走目:探索走行
    加速度(加速)    5[m/ss]
    加速度(減速)    5[m/ss]
    重心速度 0.6[m/s],
    旋回速度 0.6[m/s]
2走目:最短走行
    加速度(加速)    12[m/ss]
    加速度(減速)    15[m/ss]
    最高速度 3.5[m/s],
    旋回速度 ALL 1.0[m/s]
3走目:最短走行
    加速度(加速)    12[m/ss]
    加速度(減速)    15[m/ss]
    最高速度 3.5[m/s],
    旋回速度 {Big90deg, 45deg, 135deg, 90deg, 180deg}
      {1.4m/s, 1.2m/s, 1.0m/s, 1.0m/s, 1.0m/s}
  
<フレッシュマン決勝の走行パラメータ>
1走目:探索走行
    加速度(加速)    5[m/ss]
    加速度(減速)    5[m/ss]
    重心速度 0.6[m/s],
    旋回速度 0.6[m/s]
2走目:最短走行
    加速度(加速)    12[m/ss]
    加速度(減速)    15[m/ss]
    最高速度 3.5[m/s],
    旋回速度 ALL 1.0[m/s]
3走目:最短走行
    加速度(加速)    15[m/ss]
    加速度(減速)    20[m/ss]
    最高速度 3.5[m/s],
    旋回速度 ALL 1.0[m/s]
4走目:最短走行
    加速度(加速)    12[m/ss]
    加速度(減速)    15[m/ss]
    最高速度 3.5[m/s],
    旋回速度 {Big90deg, 45deg, 135deg, 90deg, 180deg}
      {1.4m/s, 1.2m/s, 1.0m/s, 1.0m/s, 1.0m/s}
5走目:最短走行(MAXパラメータ)
    加速度(加速)    15[m/ss]
    加速度(減速)    20[m/ss]
    最高速度 4.0[m/s],
    旋回速度 {Big90deg, 45deg, 135deg, 90deg, 180deg}
      {1.4m/s, 1.2m/s, 1.0m/s, 1.0m/s, 1.0m/s}

このようなパラメータで本番は走っていました。
実は探索速度は0.6[m/s]しか用意していませんし、最短走行のターン速度は1.0[m/s]以下のパラメータを用意していませんでした。決勝の2走目で走ったパラメータが殆ど最低パラメータです。まあこれは結果論であって、もっと時間があれば使うかどうかもわからないパラメータも用意していたと思いますが、そんなに沢山のパラメータを揃えている時間はありませんでした。最低パラメータを1.0[m/s]にしたことについて私の考えとしては、機体のポテンシャルと旋回の方法に依存しますが、私の機体の場合、ターン速度1.0[m/s]でコケるならばターン速度を落としても完走する確率は殆ど変わらないというのが経験則です。1.0[m/s]の旋回は横G的にもそれほど厳しくありません。余裕を持ち過ぎているくらいターン速度の低いパラメータを作る時間があったら、走破性を上げるための様々な補正を考えたり、大会で確実に走りたいパラメータの調整に時間を回すのが賢明かと思います。最低パラメータは、本当にその速度まで減速してターンをしないと安定しないかを考えて、適切な最低パラメータでいいように思います。しかし、1.0[m/s]ターンを最低パラメータにしたのは上げ過ぎだったかなと周りを見て思いました。それでもオール1.0[m/s]ターンで走った最短走行では、行きも帰りもコケることはなく終始安定していたので良しとします。
最短走行では行と帰りで往復させていますが、往復のパラメータは行も帰りも全て共通にしています。ハーフ・エキスパート優勝者M氏がやられているのを見てなるほどと思い、使わせていただいております。往復をする利点としては、行きで使った旋回の組み合わせを、迷路を変えることなく全て左右逆の旋回にして確認をすることができるからです。何種類もの迷路を組み替えずに、すべてのターンを効率よく確認できる最高の手段です。また、速度を上げてゴールしたときは少し位置がズレていることでしょう。そこからの復帰ができるかどうかの確認も大事なところです。練習用の迷路で旋回を完璧にし過ぎると、壁補正などの調整ができなくなってしまいます。最初のうちは、わざと旋回半径をずらして壁補正の調整をしてもいいくらいだと思います。練習用の地面と会場の地面ではグリップに差が出ます。よってスリップ角も変わってきます。練習用の迷路で旋回の調整だけに力を入れすぎると、会場の床によって調子が狂い、位置補正などの調整をしてこなかったマウスはコケやすいと思います。私の場合、旋回の調整は必要最低限の時間を使い、ガバガバな旋回からの立ち直りの補正の調整に時間をかけてきました。完璧な旋回の調整は大会の前々日頃の最後の最後にやればいい話です。なにより私の場合はターンの調整方法に問題があることに全日本大会の2週間くらい前に気付いたレベルで変なターンばかりしていました。その分補正に力を入れることができたので、結果的によかったなと思います。最初から完璧な旋回をすると大切なズレを見えなくしてしまいます。本番で安定させるには、機体があるべき位置からズレた状況から、適切に対応して素早く適当な状態に収束する補正が唯一の頼りです。
また、決勝の4走目では180degターンの最中に壁に当たってフェイルセーフがかかりました。部室の迷路では、この程度掠ったくらいではフェイルセーフがかからないようにしていたのですが、やっぱり地面の違いからか、フェイルセーフの閾値も変えないといけなかったようです。そもそもフェイルセーフを切っておけばよかったと後悔しています。あのくらいなら壁補正と壁切れで完走できていたと思います。180degターンは依然と比べるとインコースを狙わないようにはしたものの、スタートして一番最初の1.4[m/s]の90degターンで旋回半径をオーバーしているので(調整段階で合っていないことは知っていたが角速度が追従しないのでパスした)、その分のy軸にプラスされた誤差で180degで死んだと考えています。走っていくうちに補正が掛かってズレは解消されるだろうと思っていたら、まさかの一番来てはいけないタイミングと組み合わせで180degターンをするようなルートでした。まさかこんなに上手くはまってくれるとは迷路製作者も想像していなかったことでしょう。そもそも全面探索をしていればあのルートを通ることもなかったことですが。
そして、決勝の4走目でリタイヤになったのに、なぜ5走目で更に加速度を上げたかというと、速度の追従には自信があったからです。今回MAXパラメータを20m/ssに設定していますが、調整では25[m/ss]でもきれいに追従していました。しかし若干スリップしているようで、本番では使えないようにしていました。正直言って旋回時のズレ誤差は加速度とは独立なので、最後MAXパラメータを使わずに後悔するまいと使用しました。結果的には加速度を上げた方が補正がいい感じになり完走することができました。因みに壁補正は速度を上げるとゲインを線形的に下げるように組んでいるので、何か他の補正が働いてくれたのでしょうか。今は特定できていません。

さて、来年の全日本大会まで一年を切ったってマジですか?
来年はエキスパートでも戦えるハードとソフトを作りたいと考えています。現段階でハードの構成が固まってきているので、早いところプロトタイプを作って、二作目で落ち着くものにしたいです。今年の機体Bifilarですが、前作Earがあっての機体です。Earには一カ月ほどハード製作に時間をかけて、実際に走らせてみて改善点を洗い出し、Earベースで時間をかけずに作ったBifilarに落ち着けたのでよかったかなと思います。次回作もこのような流れで行きたいです。因みに、次回作の機体名はトリファイラです。よろしくお願いします。

最後に今年の機体を載せて終わります。
CxoW68aUUAAYK2e
機体名:Bifilar(バイファイラ)

それでは、長文読んでいただきありがとうございました。

2016年度夏休みの進捗

記事を書くのが遅れましたが、夏休みの進捗を書いていこうと思います。
 今年の夏休みの目標は、マイクロマウスは斜め走行ができるようになること。ロボトレースは試作機を完成させることでした。結果から言うと、ロボトレースは今年出場を止めることにしました。まずはマイクロマウスで基本的な制御ができるようになってからロボトレースに手を出そうと思います。機体を増やしてしまうと、これからDCモーターの扱い方やモード選択の基本的な部分など、変更することを全て2回ずつ書かないといけなくなってしまうからです。時間がいくらでもあるならやりたいのですが、大学生と言えども授業は多いしレポート等大変になるみたいだし、マイクロマウスと共倒れにしない為にも、ロボトレースは今年諦める選択が有力になりました。まずは基本的な制御の技術を身に着けたいです。

 ということで、今年はロボトレースの話はでません。マイクロマウスとその他諸々になります。さて、マイクロマウスについては色々と進捗がありますが、まずはタイヤの話から始めます。

タイヤの物理学
 (なんで進捗報告にいきなりタイヤの話になるんだよ. 摩擦のことは遠の昔に学習済みだぞ)と思われる方もいるかもしれませんが、私が夏休み中に一番時間を割いたのはタイヤについてです。Twitterで何度も長文ツイートを連投していて呆れた方もいるかもしれません(それでも控えめにしていました)。タイヤには高校物理では説明できない奥深さがあります。
 タイヤは、車体が路面と接している唯一のパーツであり、モーターの動力を地面に伝え、遠心力を打ち消そうとしてくれる重要な部分です。マイクロマウスのハードに置いて、1,2位を争う重要パーツですが、去年の全日本マイクロマウス大会の皆様のタイヤを拝見していると、マイクロマウスにはナロータイヤ、ロボトレースにはワイドタイヤを使うのが一般的になっているかと思います。機体の重さはそれほど変わっていないのに、なぜタイヤの幅を変えるんですか?客観的に考えると、マイクロマウスは車幅が小さくないといけないからグリップが下がってでもナローを使って、ロボトレースは横幅の制限が緩いからワイドを使うと考えられるのですが、そもそもタイヤの幅は軽い機体に置いてグリップと関係しません。一見ワイドタイヤを使うとグリップが上がったかのように錯覚するかもしれませんが、それは機体の重量が重くなったからだと思います。グリップを上げる方法は機体を重くするか摩擦係数の高いタイヤを使うことです。機体が重いと遠心力も同様に大きくなり、結果的にコーナーでスピードを出すこともできません。さらに加速に必要な電流も大きくなり、加速度も悪くなります。また、タイヤは機体の唯一回転する部分でり、タイヤを重くすると加減速する際に慣性モーメントが効いてきて、機体自身の重さをいくら軽くしても、タイヤの少しの重さが機体のポテンシャルを大きく下げてしまいます。
 こう考えると軽いタイヤの方が動力性能が上がるのではないでしょうか。今まで周りの人に合わせて選んでいて何も考えていない人もいるかもしれませんが、この機会に一緒に考えてください。

 詳しい話はまた時間があるときにしっかりまとめようと思います。今回は序論だけ。今考えているタイヤの話のネタは
・タイヤの重要性(今回の序論)
・タイヤの幅とハイト
・タイヤの直径
・タイヤの扁平率(上のまとめ)
・摩擦力の種類
・キャンバー角
・まとめ(結局どうするか)
を考えています。これらをまとめるのは時間かかりそう・・・


 さて、マイクロマウスのハードの進捗は、バッテリーを自作の物にして置き場所を変えたことと、タイヤを高扁平率の物に交換したことです。ここまでタイヤについて考えてきましたが、今の機体にキャンバー角をつけたり、タイヤの大きさを変えてしまうと、色々と別の問題ができてきまして、タイヤだけを考えて変更しても相応の効果が得られないと判断しました。ただ、今まで使っていたタイヤはハイトが低く、変なタイミングで20度と30度のタイヤが混ざってしまったものを適当に使っていたので、これを機会に交換しました。今回はちょっと分厚めのタイヤです。剛性は下がりますが、変形損失摩擦による遠心力対抗性能を求めて試験的にやってみました。中々いい感じだと思います。
 バッテリーについては、120mAhのものから240mAhに交換しました。
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Aliexで注文していたので、相変わらず遅い到着でした。なぜ容量を2倍にしたかというと、Aliexに放電容量の表記があるものが、240mAh以上のものにしかなかったからです。もっと時間をかけて探せばあるのかもしれませんが、サイズ的にもよかったので、これにしました。1Sなので、それを二つ直列にして使います。2Sでは加速度がでないので、3Sにするかと少し考えています。バッテリーは10個入りで、2Sを2セット作ったので、あと6個残っていて3Sを2セット作るのに丁度いいんです。最初はバッテリーがショートしてしまった時を考えて多めに買ったのですが、ショートさせることなんてそう起きないでしょう・・・
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サイズもピッタリです。容量が今までの2倍ですが、重さは1g程しか変わっていません。それだったら充電の手間が1/2になった方が、マウス初心者の内は有意義だと思います。

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ついでに充電器も作りました。Aliexで1つ20円しないものですが、十分に使えています。2Sの充電を2S分同時に行おうとすると、絶縁電源が2つ必要になります。そこで絶縁電源を自作してもいいのですが、ノートパソコンとモバイルバッテリーがあるなら、それは絶縁されているので使用可能です。サークルの充電器をお借りしなくてもよくなったので、開発が捗ります。


ソフトの進捗は、一番は斜め走行ができるようになったことです。
※この動画はスラロームの調整を±30mm程度で妥協して適当に作って、壁補正に任せてやってみています。

 条件文が多くて大変でした。斜め走行は夏休み始めの頃にモジュールを作って、新作の機体が完成してから実装し、1日バグ潰しをしたら動くようになりました。ここからが闇デバッグの始まりなのですかね。闇デバッグよりもスラロームを効率的に生成できる何を考えないといけません。今考えているのは、指定した速度と角度と半径で角加速度を演算して、三角角加速をできるようにするというのが有力候補です。理論値でなら少し考えれば実装できますが、問題なのはスピードを出した状態では理論値通りいかないところです。今年中に何らかの方法を考えて、理論値と実測値がある程度合う方法を探ろうと思います。最短経路を導出させるのはその次の話です。まず変則四輪というのがあまり気に入りません。次回作は二輪の吸引でいこうかと考えています。それならスピードを出してもある程度理論値通り行ってくれるのかな?その前に直進安定性が取れなくて死ぬのだろうか。壁があれば安定しそうな気もするけども。
 そして新たな補正を追加しました。こうやって色々な補正を追加していくとなると、汎用性の高いプログラムの書き方が要求されます。大体私は大会直前になってその場しのぎしかしてこないので、このような時に時間をかけて汎用性の高い書き方に変更しています。柱補正自体難しくもなんともありませんが、今のプログラムに追加することに時間が必要で、プログラミング向いてないなと思う次第です。

ここまではなんか可愛い走りをしていますが、ターン速度を1m/sに変えたらそこそこ速く見えるようになりました。
まだ上手いこと制御できていないので、一般的な1m/sより遅く感じるかもしれません。因みに、櫛補正とは角度補正のことです。壁補正ができないときは角度だけでも合わせておきたいものです。私のマウスは角速度の追従が全くできていないので、スラロームの角度が合わないんです。それを何とかしてくれるのが角度補正。探索でも角度補正がないとまともに走りません。何かバグがあるような気もするなぁ。

そして色々なバグを取り除いて滑らかな走りができるようになりました。しかし、この走行もスラロームに根本的なバグがありまして、壁補正でなんとか走らせている状態です。この時はまだ壁切れ補正はないので、指定した距離で合わせています。速度追従は我ながらいい感じでできていると自負しています。角速度の追従が悪くても壁補正と角度補正でなんとかなってしまうし、そのような補正を強化していった方が今後の為にもなるのかなと言い訳を作っています。
 今ではこのパラメータは上から3番目になりました。機体のポテンシャルは低くはないと思います。しかしまだまだ少し調整が必要です。特に足回りがよろしくない。
CuOQ-NfXEAA5D-W
ピニオンギヤがあまりにも滑るので、エポキシで固定している様子です。その翌日にはエポキシが割れて意味がなくなりました。ピニオンギヤとモーターシャフトの間に細い糸を挟むといいらしいとの噂を聞いたので、もう少し手を尽くしても上手くいかなかったら真似させていただきます。


その他おまけです
CuJ1NliVIAIgXE2
CuJ1OXQUkAE2cKR
金フラッシュの30cm PCB定規が手に入りました。Aliexで350円なので、気になる方はゲットしてください。

サーキットの練習をしている様子です。周りが逆ではないのか?と声が聞こえてきますが、これはタイヤのすり減り具合を均等にするために、大まかな調整は左回りにして、微調整を右回りにしようと考えています。中部地区大会のサーキットは凄いお方ばかりで参加しないでおこうと思っていましたが、N氏から背中を押されて参加することになりました。速く走れるコツ知りたいです!!(特にスラロームと経路導出についてお伺いしたいことが沢山あります...)

今年は経路導出には時間を使えないかなぁと半分諦めています。適当なことをすると想定外パターンにハマり、逆に遅くなってしまう場合もあるので下手なことはできません。いやー難しい。

そして最後に、Twitterのフォロワーが700人を超えました。今後ともよろしくお願いします。

気付いたら新作マウス(バイファイラ)が出来ていた。

大学生の夏休みなんだから、前回の更新から圧倒的成長をして圧倒的な進捗を上げているに違いない。。。そんな上手い話はありません!新作の機体ができたことくらい。機体が何台できたってソフトがしっかりしていなければ大会でいい結果も残せない。ソフト面での進捗はゼロではないですが、まだ実行に移せていません。
3週間前の僕「斜め走行のモジュールは作ったけど、今の機体で調整しても新作に移植はできないし、PIDゲインなんてガバガバ過ぎて、これで調整してもいいことない。PIDのゲイン調整を今からやっても直ぐにバラすのではやる気が出ない。」
という感じで夏休みの半分弱を適当に過ごしました。

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三国花火大会に行ったり、

CqTqrR4UEAAqrYy
FA機器.comさんの「メカトロ部品学生無料」に参加させていただいたり。

CqTqsGJUAAE0RDd

沢山の部品を譲っていただき、本当にありがとうございました。
特に以下の品が(個人的に)嬉しかったです。
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2SC5200というNPNパワートランジスタ95個と、

CqTtRcEUEAAi8s8
カレントトランス沢山です。
普通に買うとトランジスタの方は1つ200円で、CTの方は1000円近くするようです。2SC5200は中高生の時によく使っていたので懐かしいです。昇圧回路作ったり、自作電源作ったり・・・
カレントトランスの方は、テスラコイルのフィードバック信号を受けるために使わせていただこうと思います。今までは、価格や適切な巻き数のCTがないなどの理由で自作のCTを使っていましたが、ここまで数があると、複数段使ったりして巻き数比の融通が利きくようになります。お金持ちになった気分で使わせていただきます。ありがとうございます。

その他、お盆はいとこの家で3泊したり、
福井から三重県の伊勢神宮まで運転してみたり、
一日中睡眠チャレンジをしてみたり・・・
充実とまではいかないものの、色々楽しいことしてました。

進捗が乏しいことの言い訳に時間を使って本題に入るまでの前置きがクソ長くなってしまいました。

新作マウスの紹介をします。
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機体名:バイファイラ(Bifilar)
基板厚:1.0mm
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)240mAh
重量:90g(バッテリー含む)
サイズ:100*69*24(ケーブル除く)

バッテリーは現在発注中で、上の写真では120mAhを使っています。また、置き場所もモーターの後ろにスペースを作ったのでそこに置く予定です。スイッチがバッテリーの下敷きになって押しづらい状態です。このバッテリーは薄くていいのですが、横幅が結構あるのでタイヤのトレッド幅を縮めた機体では、後ろに置くことができません。バッテリーはAliexに注文したのでいつ届くかわかりませんが、まあ気長に待ちましょう。そろそろ3週間経つので届いてもいいころです。名前に関してですが、これからは何かに統一した名前にしていきたいと思います。これからのコンセプトは"フィルター"です。フィルター回路を少しでも勉強したことがある人ならわかると思いますが、トロイダルコアに電線を巻き付ける際に、その巻き方にバイファイラ巻きというのがあります。このような関連でやっていこうと思います。トレーサーもです。

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前作との比較です。センサーの数が増えていることが一目でわかると思います。それとモーター辺りに肉抜きの部分。

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bandicam 2016-09-08 20-37-39-055

モーターマウントを見るとわかりますが、左が新作で、モーターを1mm下に落としています。なぜ1mmかというと、基板厚が1mmだからです。落とし過ぎてもいけません。

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そして基板にミスが発覚。回路的なミスではなく、モーターが入らないという物理的なミスです。上の写真と比較するとわかりますが、肉抜きを更に拡張しています。2mmにしないといけない部分を3mmで設計していました。(どうして気付かなかったんだろう・・・) それに伴い、削った部分の配線も粉になってしまったので、UEW線でなるべく見えないように繋げました。少し見えてしまうので、今度緑色のUEWを使おうと思います。画像ではレギュレータが外されていますが、これは5Vラインがショートしていたのでトラブルシューティングで外したものです。モーターのコネクタと壁用のLEDを取り付けた途端レギュレータが熱々になる症状が出ました。取り合えずテスターで導通チェックをして、5Vラインのショートを見つけ、レギュレータやコンデンサなど、問題があるかもしれない箇所を取り外していきます。それでも尚導通する5Vライン・・・結局問題があったのは6Pコネクタでした。はんだを流し込み過ぎたみたいで、黒いプラスチックの中で隠れて導通していたようです。これくらい小さな基板なら順を追って動作確認していたらトラブルシューティングも早いのですが、もっと大規模な基板の修理なんてやりたくないものです。そもそも、今回の肉抜きの寸法ミスをしても、1枚の基板なら手作業でどうにでもなりますが、これを仕事にしようと思うと、一か所間違えただけで大規模な損害になってしまったりするので、この手の職はレベルが高いとしみじみ思います。プログラムを書く仕事もやってみて大変だと気付いたし、基板設計や回路設計も仕事にはなぁと思ったりして、趣味にしてるからこそやりたくない仕事という、子供が考える「趣味を仕事に」とは一味違うものを感じます。
話が脱線してしまいました。

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モーターを4mm前に出したので、いい形に収まっています。前作と比べて、トレッド幅が広まったように見えますが、実際には前作より更に1mm縮めています。コンパクトになったので目の錯覚が起きています。というか早くモーターのケーブルを短くしないといけませんね。ケースに入れて持ち運ぶ時も支障をきたしています。何より機体を迷路に入れたとき、ケーブルに当たって初期位置がズレることがあります。何かと後回しにしてしまう部分ですが、一番見た目に影響を与える部分でもあるので早めに。

簡単に動作確認をしてみました。
パソコンにセンサー値やジャイロの値、エンコーダー値を表示させて動作確認をしてもいいですが、一番手っ取り早いのは前作の機体のプログラムをちょっとだけ弄って流用して走らせること。一発で動いてくれたので嬉しくなりました。ハード製作は過去最速で完成したような気がします。殆ど前作の流用なのでノーカウントかもしれませんが、基板設計とマシン設計は2日、CNC加工は3時間、はんだ付けは
8時間で完成です。前作の反省点を生かし、結構気に入った機体に仕上がりました。この記事のタイトルが「気付いたら」になっているのも、結構早いスピードで完成したからです。

そういえば、まだマイナーな部分の変更点と、なぜ細かいことなのにわざわざ作り直したかを書いていませんでした。まずはセンサーがまともになったことです。今までのセンサーは、海外から安物を輸入して使っていたのですが、実は右壁と左壁のセンサー値は左右で倍違います。一応それっぽく走らせることはできるものの、これから制御を詰めていこうと思うと、ソフト側ではなんとかならないレベルで質の悪いセンサーです。これからは正規品を買おうと思います。それにしてもフォトトランジスタが10個で三千円って高くないですか?基板を10枚発注して2500円なので基板の方が安い。
次に段差が2mmまで許容範囲になったこ とです。今までは0.5mmの段差が精一杯でした。というか、前方部分は摩擦を軽減するテープが常に地面と擦っている状態で、ブレーキの時はタイヤのグリップはかなり低下していました。今回は車高を1.5mm上げたので、段差対策にもなりますし、ブレーキングの安心感も上がりました。
次に壁切れをしやすいセンサー配置にしたこと。実は少し横壁センサーの角度を変えています。基板の肉抜きを前作と比較すると、若干形が違うのが分かります。本当にこれがいい角度なのかはやってみないとわかりません。もしかしたら全日本までにもう一台作ってるかもしれません。
そして真ん中についてるセンサーについてですが、このセンサーは先輩に進められたわけでもなく、自分が欲しいと思ったので付けました。これがあると、探索の時変な場所を見て前壁があると誤判定することもなくなりますし、連続スラロームのときの位置補正ができます。これは先輩に教えていただいたことです。そして何より、未探索加速ができるのではないかと期待しています。探索走行を見ててつまらないなと思うのは、一直線なのにスラロームしやすい速度でノロノロ走っているからです。2区画先まで正確に判断できれば、直線を行ける時は加速することができます。これをしようと思ったら、今の足立法では対応できませんが、少し弄ればいけそうなので夏休み中に頑張ります。マウス十則にもありますが、探索のスピードを求めるのは一番最後のことです。斜め走行等を実装してから探索の速度を上げようと思います。
そして最後に、なぜわざわざ作り直したか。それは前作マウスがトレーサーのメイン基板となるからです。トレーサーのセンサー位置や、ちょっと変わったことに挑戦することもあって、頭の中でシミュレーションするよりも、実際に作ってみるのが確実です。マウスでスピードを出すのも楽しいですが、ライン上でスピードを出すのも楽しそうです。車と違って失敗してもOKなので、スリップ限界まで速度を上げられることは結構魅力的です。

今月の進捗はこれくらいです。マウス、トレースの両方ともソフト側の進捗もそこそこあるのですが、まだ機体ができていないので実行できません。早くバッテリー届いてほしいな。勿論、来月には斜め走行ができるようになっていて、トレーサーのプロトタイプ機も動いているよな。うんうん。

マウス合宿と草の根大会

先月(6月11,12日)に行われたマイクロマウス合宿2016に参加しました。マウス合宿の参加報告をしようと思っていたのですが、下書きが消えてしまいました。ここではマウス合宿で行われたプチ大会のみの報告で終わります。

マウス合宿では、クラシックサイズ、ハーフサイズ、ロボトレースのプチ大会が行われました。その中で、私はマイクロマウスのクラシックサイズに参加しました。合宿前は中間テストやレポートなど、マウスどころではない生活を送っていて、合宿前は徹夜でデバッグしました。
デバッグ内容は、
・目標速度に対して出力が負の向きになるバグの修正
・角速度フィードバックの再構築
・再現性のない距離合わせ
・全く思い通りにいかないスラローム
・右手方のモジュールを作ってみるものの前進すらしない。
(当時のTwitterより引用)

抜本的な改良ができたのはよかったのですが、こんな進捗では迷路を走ることすらできません。今書いてて思うのですが、「超信地旋回すらできないのになんでスラローム作ろうとしてるんだよ」ってことです。睡眠時間が足りない中、新しいことをしようとすると失敗する典型的な例ですね。睡眠時間を削って作業をする場合、やっていいことと悪いことが最近わかるようになってきました。睡眠時間が十分ある場合は新しいモジュールの開発、探索アルゴリズム、加減速走行のアルゴリズム等、機体に依存しない基となるアルゴリズムの構成を考えてよくて、睡眠時間を削って作業していい内容は、動くことが保証されたアルゴリズムの上で、距離合わせやゲイン調整、機体に依存するその場しのぎが許される単純な作業のみだと思います。

頭が働かないなか新しいことに挑戦しようとすると、二度手間になる上に、そこにミスがあることに気付かずに今後の調整をしていって、最終的に大規模修正を必要としてしまう場合が考えられます。要するに寝れるときに寝て、早めに動くアルゴリズムを完成させてしまうことです。徹夜デバッグでゲイン調整や距離合わせに時間を使えばいいと思います。

そしてプチ大会の結果ですが、スタートは切れるものの、超信地旋回の動作に入ると暴走してしまいます。それが5回とも続いてリタイヤで終わりました。動画も撮ってません。色々と頑張ってはみましたが、どうにもなりませんでした。この時点で草の根大会まで一カ月を切っています。
みんなクタクタでした。


合宿が終わってよく寝て、マウスの開発を再開しました。
(×するしか ◯するか)
合宿が終わって一週間後のことです。超信地旋回ができるようになりました。しかし、これは45°角加速して45°減速する動作確認の制御をしています。スラロームに使える超信地旋回ではありません。ゲイン調整も殆どやっていないので、音を聞くとわかりますが、ガタガタと発振しています。高校物理の内容を思い出してプログラムしてやれば減速に必要な角度が計算できるので、それを使えばもっと低速の定速で超信地旋回ができるようになります。その実装には時間がかからずにできました。この状態でも超信地旋回で方向を変えられるようにはなったので、迷路を一応走ることはできるようになりました。

八の字走行ができるようになったのは更に2週間後のことです。この頃にはDCモーターの基本的な制御系の構築ができていたと思います。しかし、この時もゲイン調整を怠っていたので角度が合っていません。

いよいよ右手法で迷路を走行できるようになりました。しかし調整が今一で、2,3周で位置がずれて壁の読み間違いで階段走行になったり、すべての方向に壁があると判断したのか超信地旋回が発動したりと滅茶苦茶です。大会までに角速度フィードバックのゲイン調整と、スラローム中にも壁補正を掛けることによって、このコースでも1分程度では体制を崩すことはなくなりました。

そして7月10日にニコラ・テスラ氏の誕生日があり、
その二日後に私の二十歳の誕生日があり、
同日に秋月電子から球根が発売されたり・・・
秋月の球根事件については、こちらの記事に解説が載っていました。


ここからの記事は7月17日に行われた金沢草の根大会の参加報告について書こうと思います。
大会ではなんと、足立法による探索アルゴリズムでゴールにたどり着くことができました。以前から足立法についてはネットで調べていたのですが、どうやってC言語のプログラムにすればいいかとずっと悩んでいました。壁情報の格納方法や未探索と既探索の分け方などを先輩から教えていただき、足立法をなんとか形にできました。
試走会では無事に探索と簡単な最短走行ができることを確認しました。しかし、この時点では加減速走行ができませんでした。ということで・・・
この時点でスラロームが上手いこと行かなくなっています。何故か角速度フィードバックのIゲインをゼロにしていました。ちょっと触ってしまったのだと思うのですが、もう少し派手に触っていればコンパイルエラーで気付けたのですが、うまいことゼロになっていたので気付きませんでした。動きがおかしいことに気付いたのは大会前の短い調整時間でした。試走会ではある程度走れていたのに、当日は4回スラロームしただけで壁に激突してフェイルセーフが発動するような状況に。そのような症状に気付いたのも束の間、迷路を本番用のコースにするために私は退出。試走はできなくなりました。そのまま開会式が始まり、それでも諦めきれずにコードを隈なく探していたらIゲインがゼロになっていることに気付きました。ゲインの小数点以下が消滅していたのです。過去のバックアップデータからIゲインを復活させ、なんとか迷路の公開までにはコードの修正と書き込みを終えることができました。これでちゃんと走ってくれるかは本番で確かめるしかなかったので、変な緊張をしたまま大会に臨みました。

この動画の10:00くらいから私の出走です。
なんとかスラロームができていて安心しました。2走目が一番いいタイムでした。
速度選定については、
直線:10m/ss, 1m/s
スラローム:15deg/ss, 500deg/s, 0.6m/s
このパラメータが今大会の限界でした。加減速走行については、速度を上げるほど減速でスリップしているようで距離が合わなくなります。これは前方の車高が0.5mmしかないため、減速時に前方へ重心が移動することにより、タイヤではなく機体のフロント部分に車重が掛かってしまい、グリップが低下したためと考えられます。実はそのスリップ分も考慮して加減速走行をしていましたが、調整していた床と本番の床にグリップの差があったため、結局壁に当たってしまいました。次の大会では加減速走行も安定させたいです。

今大会までに色々ありましたが、なんとか3位をいただくことができました。ありがとうございます。
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それと、副賞としてコロコロ大量セットもいただきました。
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家に犬を飼っているので、掃除機では吸いきれない細かい毛をしっかりと取り除くことができるので結構使えます。もう少し大きいともっとよかったのですが。勿論コースの手入れやタイヤの掃除にも使わせていただきます。ありがとうございました。

大会が終わって部室の迷路で走らせてみました。
やっぱり加速すると直線の距離が合わなくなるようです。これはハードの問題よりもソフトを疑った方がいいかもしれない・・・夏休みにどれだけ進捗を作れるか。


最後に、今後の方針について。
これからやらなければいけないことは、まずはトレーサーの機械設計と基板設計です。これは夏休みが始まったら直ぐに取り掛かろうと思っています。マウスに関しても、色々とハードの設計ミスがあるので、できれば同時に基板発注ができればいいなと思います。全日本大会で吸引も視野に入れての設計を考えています。基板が届くまでに、今の機体でアルゴリズム面を向上させたいです。

それと今年の参加予定の大会もまとめます。
・熱田の森
・草の根
・中部初級者
・中部地区(?)
・全日本大会
これくらいを予定しています。大会が近くなると捗るので、積極的に出場していきたいです。

全日本大会までのマウス、トレースのサクセスレベルを夏休み前に定めておきます。
【マイクロマウス】
・ミニマムサクセス
    そこそこ賢い探索アルゴリズムの実装
・ミッションサクセス
    フレッシュマン3位以内
・フルサクセス
    最短経路を斜め加減速走行してゴールする
・エクストラサクセス
    吸引機構を搭載したマウスを製作して吸引してゴール。

【ロボトレース】
・ミニマムサクセス
  決勝進出
・ミッションサクセス
    2走目以降のプログラム(加減速)をマーカーレスで実装
・フルサクセス
    様々な補正やフィルターの実装
・エクストラサクセス
    決勝コースで加減速してゴールする。

いい結果が出るように、夏休みも頑張っていきます。
夏休みはマウス・トレース以外にも、やりたいことがいっぱいなので楽しみです。
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