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。

電子工作

2017年春休みの進捗

 ブログの更新は月イチで頑張ろうと思っていましたが、今年はまだ「あけおめ」の記事しか書いていませんでした。早速サボりがちです。進捗がないわけではありませんが、ソフトのマイナーチェンジや基板CADを弄っていると、現物がなくて記事にならないことが多いんです。今回は春休みの進捗について書こうと思います。

 まずは基板についてです。
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 今回はロボトレースのメイン基板と、マイクロマウスの基板を同時に発注しました。ロボトレースのメイン基板は、Bifilarをベースにラインセンサーなどトレースするのに必要なセンサーが取り付けられるような形に仕上げただけです。センサー基板は前作のものを使いまわします。というのも、前作のトレーサーはメイン基板にミスがあり、走らせることができなかったため、センサー基板を一度も使わずに終わってしまいました。よって、使いまわすというよりは、やっと出番が来たという感じです。
 基板の製作は、PCBGOGOに依頼しました。二つとも100*100mm以下に納めたため、10枚1200円で製作していただきました。送料は4人で共同購入したため、割り勘して千円程です。それと、4人の基板の合計金額が16,666円を超えてしまったため、関税が三千円掛かりました。それでも2種類の基板を四千円以下で製作できたのは安いと思います。

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 トレーサーはメイン基板をはんだ付けするだけで完成です。足回りはBifilarから貰ってきました。機体名はASPERAです。試作機という意味が込められています。この機体では簡単なオドメトリと加減速走行や、確実なフェイルセーフなど、ベースとなるソフトを開発する目的で製作しました。次回作ではもう少し物理的に美しい形に仕上げたいと思います。何より最初はハードを短時間で仕上げることが近道だと思います。一度に完璧を求めても、各センサーの配置などは使ってみないとわかりませんからね。

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 まだブレーキランプやハザードランプを付けてないので、実際にはもっと光りますが、現時点での重さだけ測りました。これからトレッド幅を広げたり、センサーを固定するネジを付けるので、5gほど重くなる予定です。

 この動画はR10の円を1.2m/sで走らせている様子です。タイヤのグリップが著しく低下していることと、機体の大きさに対してトレッド幅が狭すぎることを改善すればもっと速度を上げられそうです。制御も満足に組めていません。これからゆっくり考えようと思います。

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 自宅にもトレースコースが欲しいと思い、ベニヤ板に黒のペンキで塗りました。2度塗りをすると結構きれいです。中心にあるのは私が1年生の時に作ったトレーサーです。多分今でも走るとは思います。

 次に3Dプリンタで出力するためのデータを作りました。
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 これらはDMMの3Dプリントサービスに外注しました。精密な部品を作るにはアクリルのウルトラモードやエクストリームモードがいいらしいのですが、まずはナイロンで頼んでみました。これだけ発注しても1702円送料無料です。ナイロンは軽くて安いのですが、マイクロマウスには不向きらしく、あまりいい噂を聞きません。私の機体はまだ完成形ではないので、取り合えず仮組の感覚でナイロンを選択しました。きっと使ってみると改善点がでてくるので、改善点を全て洗い出してからアクリルの強そうなモードで発注しようと思います。

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ファンの形ですが、なるべくカッコよくしようと色々と悩んだ挙句、専門の方からアドバイスを頂き、下のような形になりました。
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 軸の中心に山を作ることにより、空気の流れを乱さずに外に掃き出されるそうです。なるほどです。ピンク色には意味はありません。

 次にリポバッテリーについてです。
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 Bifilarの時からリポは自作のものを使用しています。海外サイトから安いリポバッテリーを輸入して、自分の機体に合うような形で2セル化します。これが中々スリリングです。ちょっと失敗するとバチバチいくので、怖い人は止めておいた方がいいです。

 そして自作バッテリー専用の充電基板も作りました。
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 2枚目の画像の手前が今まで使っていた充電基板です。このモジュールも海外サイトから購入したものです。これはAliExpressで買うと10個200円以下で購入できます。送料も無料です。これは買うしかないですね。(もちろん自己責任です。保証はありません。)

 ここからはマウス・トレースとは別のおまけです。
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 高校1年の冬にメインPCを自作しました。その時からパソコンに負荷を掛けたまま放置したりしていたので、数年間使って壊れるのは当然です。まず壊れたのはやはりHDDです。WDのGreenは低価格故に保証期間が短く、それを承知で購入していました。ハードな使い方をしたにも関わらず、保証対象期間内に壊れてくれませんでした。まあそれはいいとして、壊れ方が少し特殊でした。パソコンの電源ボタンを押すと一瞬立ち上がろうとはするけれど、1秒も持たずに電源が落ちる症状が続いていました。BIOSにもいけなくて困っていました。HDDを抜いても同じ症状なので、CPUかマザーボードが壊れたかなとも思ったのですが、思い切って新品のHDDを繋いでみたら立ち上がったのでラッキーでした。しかしHDDの認識はされていないようなので、父に頼んで新品のHDDをフォーマットしてもらったら、自分のPCにも認識されるようになり、そこからは順調にOS等入れ直して安定しました。

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 5年ほど前にやったはずの作業ですが、完全に忘れてしまいました。初々しい気分でドライバのインストールを済ませました。

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 最近はSSDが普及してOS関係とドライブを分ける人が多くなり、自分でパーティションを切る人は少なくなってきてると思います。そんな中、私はデータドライブに適当なパーティションを切りました。この30GBには、データは重くないけれど、作成するのに時間がかかったデータのバックアップに使おうと思い制作しました。正直、ドライブが壊れる時は丸々逝くと思うので無意味だとは思います。システムファイルと違い、調子が悪くなってフォーマットするとかもありませんし、見当違いな気がします。

 そして少し遠出しました。
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 福井駅から特急で6時間半かかる場所、和歌山の一番奥まで行ってきました。しんぐぅ。ここで臨時バイトしてきました。朝の8時に電話があって、ここまで行ってくれと言われて当日の昼に出発し、夜の7時に到着して4泊しました。給料の発生する修学旅行な気分です。

 さて、おまけの本題です。(?)
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 祖父がタクシーを辞めたので、そのコンフォートを貰いました。とても楽でいい車です。4月からはコンフォートで通学します。

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 コンフォートの形めっちゃ好きなんですけど、わかってもらえる人少なそうな。少しだけステッカーと電飾と音響を弄ろうかなと思っていますが、皆さんが期待する程大きくは変えません。このままで十分なくらいの車なので。
 
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 車載アンプはBluetooth対応の45W*4を選びました。5600円程だったと思います。バイトしたんだしもっといいもの買った方が良かったかなと少し後悔しています。あまりいい音ではありません。自宅のオーディオ環境と比較すること自体間違っていますけどね。音楽が聴ければそれでいいという人向けの商品でしょう。この商品、車載用と書いておきながらACアダプターが付属していて、車と接続するユニットがありませんでした。○ツで探すと、シガープラグ付きDCコネクタが奇跡的に売っていたので、それを使って解決しました。

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 スピーカーはKENWOODのKSC-7900です。父が大学生時代に購入したものらしく、大きい音を鳴らし過ぎてコーンを止めてある可動部分が破れているとのこと。偶に異音がしますが、問題なく使えています。

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 配線はなるべく隠すようにします。

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 取り付け後の風景。いい感じですね。

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 そのほかはスマホアームを取り付けたり

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 急速充電ユニットを取り付けたりしました。車中泊もできそう...

 このあたりで春休みの進捗は以上です。さて、来月にはマウスが走っているのでしょうか。

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。
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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
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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、

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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。

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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、

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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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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。

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。
CeedaEyW4AAbG9y
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。 
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