マイクロマウスキット「Zirconia」

珍しく長文になってしまった。

以下の4つの理由から、今年は全日本決勝用ではないが、マウスを制作した。

1と2は制作に至るきっかけ、、3はそのロボットを完成させるモチベーションで、4はコンセプトである。

１．どうも最近の技術と電子部品を試せていない

（今でも性能面で更新はmustではないが、廃盤やコストダウンの対応を図りたい）

部品単体の試験では、例えばジャイロのドラフトや振動耐性、応答はどうか？という問題がはっきりせず、マウスに載せないとわからないので、作ってみることにした。

２．現在のマウスは四輪プラス吸引で、いろいろごまかしながら走ってしまうため、

調整、変更の良し悪しを判断しづらく、素直な応答の二輪マウスが欲しい。
前にいじったPicoだとスケールとかモーターが違いすぎて何の差が出てるのかはっきりわかりづらい。

３．　2に関係して、ハードばっか複雑になって入門層がますます調整とソフトを軽視しているので、誰でも作れるマウスで成敗するのが老害の義務に感じる(入門層すべてが悪いと思ってないが、こんなマウスでも十分走ります、が提示できていないように思う)

４．　2、3から、二輪という一番シンプルなハードで、かつ過剰な軽量化、低重心化、高価な部品を必要としないことで、ロボトレースに自分でプリント基板を起こして作ったロボットで出場したことがある、またはサークルに所属しハーフサイズ経験者が近くにいるなら作れるレベルのロボットであることをコンセプトとした。

1と4は、ややもすれば対立するわけですが、そもそもキットがあってもハーフマウスはド素人がやるものじゃないので導入障壁（費用と時間と活動スペース）に無理がなければよろしいかと。

どうせもうすぐ某社から完全入門者用（？）のキットも出ることだし。

そんなわけで作ってしまったのが下の写真のマウス。下記の動画の通り、一応迷路を走行できる。

写真

動画

動画だけ見ると走っているようにも見えるが、新しい部品を試したせいで色々痛い目にあっている。

もしかしたら金沢大会の完走は厳しいかも。

次回はいろいろ痛い目にあったアレやコレについて書く…時間を確保せねば

Pico2：進行方向の速度制御による，角速度系への干渉について

作ったはいいものの，いまいち実験，検証内容と手段がなかなか決まらないPicoシリーズの2回目．

今回は，前から何となく気にしている，進行方向の速度制御による，角速度系への干渉について．

　私の場合，速度制御系はこちらなどで紹介されているとおり，進行方向と角度方向に入力を分け，進行方向は2つのモーターへ同符号の入力，角度方向は逆符号の入力で制御している．

　これまでなんとなく思っているのが，(当たり前かもしれないが)2つの入力はそこまで独立しておらず，進行方向の制御は角度方向に干渉しているのではないか？ということ．

　例によってPicoで試走調査．今回はフィードバック入力で進行方向の速度を制御している状態を想定し，左右輪の速度差は一定だが(角速度は一定になるはずだが)，左右輪の速度の平均値である進行方向の速度を振動させた入力となるようオープンループで走行させログを見てみる．

　前回と同じく，直線→右180度ターン→直線のコマンドを実行させる．ターン中の進行方向の速度は，今回は　0.5 + 0.05×sin(wt) [m/s]と，目標値に対して±10%の振れがある場合を想定する．

　結果が以下のログ．上が，速度が振動している場合，下は比較のための速度が振動していない場合のログである．左上と右下がそれぞれ左右輪の目標速度，それに比例するステップパルス周波数であり，右上と左下がそれぞれジャイロの角速度と角度を，目標値と共に記したものである．

・進行方向速度：0.5 + 0.05×sin(wt) [m/s]　(振動的)のログ

・進行方向速度：0.5 [m/s]　(一定)のログ

ものの見事に進行方向の速度の振動が，回転系に伝わっていることがわかる．

程度にもよるんでしょうが，進行方向の速度制御は角速度制御の外乱になると．

あと何個か思いつく限り実験をし，それぞれの影響を定量的に評価できたら，そろそろ自分のハーフマウスの制御も見直しをかけなければ．

今年のハーフサイズ決勝迷路ルート考察

　今年の全日本のハーフサイズ決勝迷路，大きく３つくらいルートがあったと思う．
①北回りの串のはコース，②南周りのロング斜めコース，③南に出てから迷路中央部をまわるコースである，

　私の場合，競技後のエキシビションで全面探索まで終えた結果だしたルートは③であった．
　本当にベストタイムが出せる＆高難度コースは②と思われるが，私の場合はどうやっても選ぶことはないようだ．

　吸引を導入してからというもの，直線と各ターンにかかる時間のバランスが崩れており(ターンが圧倒的に速くなったので，ターンを繰り返すルートを選びやすい)，それでルートが変わってきているように思う．
　おそらく迷路作成者はそれに追いついてないように思い，他の競技者と違うルートを選んだ時，損しているのか，作成者も他の選手も思いつかなかった，ターンが相対的に速い吸引マウス的最適ルートを選んでいるのか，一度検証してみたい．

　地区大会にたくさん出られるといいんですが…難しいよなあ

東日本大会の迷路

よくよく考えてみれば，Fantomの最短経路計算の重みづけにバグがあった．

移植に失敗して，ターンの多い経路が選ばれやすくなっていたわけで．

結果として，バグがないSapphireと同じ経路を選んでいたわけだが，ターンが(意図せず)優先されているなら外側の直線が多いルートではなく大多数が選んだ内回りのターンが多いが歩数が少ない経路が選ばれるのではなかったか．

内回りの経路はそんなにソンしているんだろうか．

吸引だの変則4輪だのなんだかんだ言って，全面探索成功とそれなりの経路導出計算が実は重要なんじゃないかと勝手に妄想．

直流可変電源GET！

またまたキット組み立てシリーズ．

直流安定化電源があると何かと便利に思うので，秋月のコレとコレを用いて自作．

可変レギュレータ出力の電圧と電流をモニターするだけのものだが，ないよりはマシ．

こんないい加減なセットアップでも，ショートには細心の注意を払っています

あとは電源on/offスイッチやヒューズを足してケースにでも入れたら使えるでしょう．
電流制限機能とかがあるといいのだけれど…

オシロスコープGET！

大そうなタイトルだが，キットを買って組み立てただけである．

ロボコンに使う電子回路を作製した時，学部生のころはサークルのオシロを，研究室に配属されキャンパスが変わってからは研究室のオシロを(こっそり)使っていた．
大学卒業後もなるべく使いたいので，今回秋月のキットを使って自作したわけである．
安いキットを使ったのは，いざというとき以外棚の肥やしになる物なので高い料金もでっかい箱も困るから．
あとは昨年はマウスを作らなかったのでものづくり欲がたまっているのも理由．
こんなキットでもサンプルレート1 MS/sec，入力帯域200 kHzとか書いてあるのでマウスレベルの電子工作ならわりと充分に思う．

で本日組み立てを行い早速テスト．
はじめに高速信号の計測．モータ駆動の3V，200 kHz，duty50%の信号．下写真は縦1 V，横10 us．波形が潰れているが，3V，200 kHzの信号らしきものが見える．

マウスで使うもっと高速な信号としてSPIやI2Cのような通信のクロックが挙げられるが，こうやってテストするときにはクロックを例えば10 kHzくらいまで下げてやれば十分でしょう．通信がうまくいってからクロックを上げてやればよい．

つぎに，センサLED駆動用の3Vで1 kHz，そのうち25 usがhighの信号．下の写真について，縦1 V，横0.5 ms．ちゃんと1 kHzの信号をとらえられてる．

また，横軸を10 usにしてみると．25 usの信号が確認できる．

 ちょっとしたキットでも無いよりは大分助かるくらいの使い方ができそうである．あと強いて言うなら2 ch同時に計測できるといいのだが…

オシロ以外にも電子工作をやるなら一家に一台欲しいアレも自作予定．詳細はまた今度．

STM32F411テスト

これまでSTM32F405を4年間使ってきたが最近出たF411に乗り換えるべくテストを始めた．

LQFP64ピンからQFN48ピンになると体積では1/10くらいになるので実装面積低減とマイコンの軽量化ができる(LQFP64ピンは意外と0.4 gもあって無視できないのです…)．

I/O数がぎりぎり足りていることは既に確認済み．今日は動作テスト．変換基板にチップと，ブレッドボードに拡張するためのピンソケットをつけた．

同じF4シリーズのプロセッサなのでライブラリなど大きな変更はなく，メモリ容量が減っていること，存在しないポートやペリフェラルの設定をしないこと，デバイスIDが違うことに注意すると問題なく書き込みができ，hello worldが出力された．(ただし，一部大先輩の協力が必要だった)

来年のマウスはこれ以外回路面で大きな変更はないが，やはりきちんとテストしないとミスの原因になるのでちゃんと確認することにしている．これから周辺デバイス(モータドライバ，ジャイロ等)の駆動もテスト予定．

以上，今年のマウス活動納め．

ハーフマウス製作プロジェクト

なるページが存在するようですのでご紹介.

http://halfmousepj.wiki.fc2.com/

ユニバーサル基板で作成可能,部品代1万5千と安価,STM搭載というすばらしいハーフマウスが作成できるようです.

これからハーフマウスを作成する人にはかなり役立つと思います.

MPU6500動作テスト

前回今使っているセンサの最新版の在庫切れ解消を待っているなんて書いてましたが、今回
Invensense社の最新3軸加速度&ジャイロセンサ「MPU6500」の動作確認をしました。
下の写真のように、ブレッドボードを用いてSTMF4マイコンとSPI通信をしています。

通信により、センサで測定された加速度、角速度が得られることを確認できました。

これで部品のテストが全て終わり、今年のマウスの設計が完了しました。
制作は…気が向いたときにやります。今年は関西地区大会(例年7月開催)が9月開催なので急ぐ必要はなさそうですし。

磁気式エンコーダIC 「AS5050」

今回は来年使用予定のエンコーダの話。

昨年までエンコーダは定番IC「AS5040」を用いて自作していました。

今年も自作磁気式エンコーダを使いますが、「AS5050」という素子に変更することにしました。

これはインクリメンタル型でなくアブソリュート型で、SPI通信で角度を取得できます。

AS5040と比較しながら、この素子を使うメリットをあげると

・消費電流が少ない(AS5040に比べ最大でも半分、使い方次第で5分の1以下)

・小型かつ軽量、安価

・インクリメンタル型でないので、波形をカウントするタイマー(消費電力大きい)を使わなくてよい

などがあります。

AS5050はSPI通信を介して、ICが内蔵のホール素子で磁石角度を取得するときのサンプルレートを自分で決めることができます。

サンプルレートを下げていくと、かなり消費電流が下げられることが分かりました。ただし、ナイキスト周波数に気をつける必要があります。

実際にどれくらいかというと、例えば2ms周期でサンプリングすると消費電流は2.5mAほどだそうです。

AS5040の16mAに比べるとかなり違いますね。5分の1以下です。

逆にデメリットをあげると

・サンプルレートを下げるとリアルタイムの速度は取得できない

・アブソリュートエンコーダ、SPI通信などの使用により速度取得に関してソフトが使いまわせない

などがあるでしょうか。どちらもソフトの工夫で対処できるものと考えています。

連休を利用してブレッドボード上でテストをしていました。動作確認ができたので、今回情報を公開しています。なかなかいいものですので、興味のある方はぜひ。

リンク追加

今年のロボトレース競技において、全日本学生大会で優勝、全日本大会でも見事3位に入賞された落合さんがブログを始められたそうなので、早速リンクに追加しました。

ろぼとれ日記

マシンデータも公開されてますし。注目です。

AS5145開発断念

磁気式エンコーダIC「AS5145」はマイクロマウスで普及しつつある「AS5040」の後継機で、最大12bit分解能（AS5040は10bit）、精度改善などの特徴があるそうで、早速使ってみようとしたのですが、使い勝手がAS5040とは異なることが分かりました。

AS5145はレジスタ書き換え機能をもち、ユーザーに適した用途で使えるようにできるAS5145Hシリーズ、デフォルトでインクリメンタル出力可能に設定されたAS5145A(分解能10bit)、AS5145B(分解能12bit)シリーズがあり、基本的にAかBシリーズを使いたいのですが、DigikeyやMouserで入手可能なのはHシリーズのみという状況で仕方なくHシリーズを購入したのでした。

Hシリーズはデフォルトでインクリメンタル出力不可に設定されており、内部のレジスタを書き換えることでインクリメンタル出力にできます。
書き換えはシリアル同期通信(USART not UART)、、、なのですが、特有の奇妙なスタート、ストップコンディション、同一ポートの送信と受信切り替え、その他バイト単位でないレジスタアクセスなど、難解なIO操作が必要で、とても同期通信モジュールみたいなブラックボックス使ってやっていける状況ではありませんでした。(助言を求めた方には全く聞く耳持たないことして申し訳ないです)


そういうわけで、仕方なく全操作をSTM32のGPIOのHigh,Low切り替えでこなすことに。昨年作製した開発ボードと変換基板に実装したAS5145をブレッドボードで接続。

面倒でしたがトラブルは起きないのである意味気が楽でした。その時に使ったプログラムをブログの追記に延々と載せておくので何かの参考になればお使いください。

何もしなくてもインクリメンタル出力になるAS5040は優秀だなあ、、、とか思いつつレジスタを書き換え、読みだして目的のレジスタが書き変わったことを確認。インクリメンタル出力の様子をSTM32のタイマで読み取って性能評価しようとしましたが、どういうわけか出力がドリフトしました。カウントするタイマの値が静止時にひたすら減っていったり、増えていったり、、、
探索の速度でも問題ない程度かもしれませんがAS5040ではこのようなことはなく、精度はむしろ悪くなってるんじゃないかという印象を受けました。
まあ、自分がいい加減な（データシートで保証してないサイズの磁石使用と目分量の磁石配置）使い方してるからだと思いますが、それでもAS5040が動いていた以上このやり方でやりたいのでAS5145の使用は断念し、今年の新作もAS5040で作ることにします。

W-068

というサーボがあります。入手先はたとえばこちら。

なぜいきなりサーボの話かといえば、これを分解するとφ7×12の日本製コアレスモータが入ってるんですよね。

ハーフサイズにちょうどいい大きさのモータが手に入るわけです。

まずは重量。分解して量ってみました。1.77g。まあ自分の中では許容範囲ですね。

次に端子間抵抗。テスターで量ってみると、7～8Ωでした。サーボの回路から取り外す前段階で5.5～6Ωくらいと出ていたのですが、、、

あとはモータ軸にモジュール0.2、9枚歯真鍮ピ二オンがついてますが、ちょっと目的に沿わないので歯の底面の薄肉部にニッパーを入れ砕きました。

金属ー金属で圧入されてると抜けないので。

モータ軸はφ1のようで、このサイズだとIndoorAirPlaneの9枚歯などを使って、自分のこれまでのスパー、ホイールのままにモータだけ置き換えることができ、うれしいところです。

トルク定数、摩擦トルクなど、まだいくつか調べたいものはありますが、今回はここまで。