ライントレースロボット窮鼠 Andante

JMCR(JapanMiconCarRally)2005に出走しました

コース長が約60mと比較的大型のロボットが集うライントレース大会マイコンカーラリー規格のライントレースロボットを作ってみました。ただ作ったのでは面白くないのでできる限り小さく作ります。今回は電池込み152gに出来ました。

基本構造は去年の窮鼠Largoと同じなので、変更点と蛇足だけ書いときます。


車　長	88mm(センサ込み)	駆動モータ	田宮パワーダッシュモータx2
車　幅	136mm	駆動系電圧	1.2V NiCd電池 2cell直列 1.8～3.1V
車　高	33mm	制御系電圧	駆動系電圧を昇圧 5V
重　量	電池抜き：105g　電池込み：152g	ギヤ比	8:30
ロータリエンコーダ	分解能：11[mm/pulse] 2個	タイヤ、ホイール	田宮レストンスポンジタイヤ
ラインセンサ	TPS612,TLN113 アナログ 5組有効範囲：50[mm]、分解能：0.065[mm/step]

●ラインセンサ

　去年Largoでは、センターラインを見るセンサが2組しかなく、有効範囲が25[mm]と狭かったので、すぐにセンターラインを見失い、すぐにライントレースを諦めてしまう根性なしでした。
　今回Andanteでは5組のアナログセンサの値から、3本の有効範囲帯を取り出し、それらを滑らかに繋ぎ合わせることで、よりフラットな有効範囲を768[step]　50[mm]（分解能0.065[mm/step]）確保し、安定して粘り強くライントレースできるようにしました。
　リニア化のアルゴリズムは、まず、一番明るいセンサを探し、次に、その右左隣で右と左の差を取る、それから、誰が一番明るいかに応じて十分滑らかに繋がるようなオフセットを加えてやる、というものです。ココで言うオフセットはy=ax+bのbに当たる値で、((繋ぎ目値)+(一階微分値))です。

●いんたーふぇーす4

　これもパワーアップしました。各値を、4bitずつ4回に分けて送ることで、16bitで見られるようにしました。
　windows側のソフト開発はフリーのActiveBasicです。

●その他変更点

　信号配線の太さを0.3[mm]から0.12[mm]のものに変更。
　シャーシを肉抜き。
　トランジスタによるFETドライバ回路追加。
　モータをパワーダッシュ\350に。適正負荷：16[gf*cm]　同回転数：19900[r/min]　同消費電流2.5[A]

●電池はニカド

　規則で単3と定められているので、電池の候補は、オキシライド、ニッケル水素(NiMH)、ニッカド(NiCd)、です。窮鼠はモータ2つが合わせて定格5[A]ピーク20[A]を要求し、5[V]昇圧DC-DCコンバータは1.5[V]以上を要求します。
　そこで、単セル電池を100[mΩ]抵抗で放電して、内部抵抗による電圧降下がどれだけあるか、10[A]時に何V取り出せるか、実験しました。結果、オキシライドはぶっつけ0.9[V]を下回ってしまいましたが、NiCdは4分、NiMHは8分間1.0[V]以上を維持していました。
　一見NiMHがよさそうに見えますが、NiMHはNiCdより8[g/本]も重く、100[g]代の窮鼠には、加速減速姿勢制御性能で大きく影響します。それに、1分もあればゴールできるので、それを超える容量は無駄な質量となります。そんなわけでNiCdにしました。ニカドが流通しなくなってきてるようなのでココに宣伝しときます。

●微分制御

　微分と聞くとナニヤラ難しそうですが、センターラインを外れる速さを見ているだけです。
　例えば、25[ms]毎に制御量（車体に与える力）を更新するとします。で、今、右に10[mm]ズレているとします。単純な比例制御は左への力を要求します。しかし、0.5[mm/ms]の速さで中央に向かっているとしたらどうでしょう？次回の制御量更新時、25[ms]後には中央を越えて左に10-0.5x25=2.5[mm]ズレる事が予想できますね。なので、本当は右への力を与えてやらないといけないのです。
　なので、微分制御を導入すると、頭を左右に振って進むという見苦しいライントレースでなく、滑らかにライントレースしてくれます。
　これが微分制御です、たぶん。この味噌はズレの量だけでなくズレる速さを見てる所です。これを旨くプログラムにしてやります。詳しくは速さでなく、運動量なのですが、合体したりしないので速さで好いかなと。

●マイコンカーラリー南関東地区大会

　予選は2回走らせて良い方のタイムが32位以内なら決勝に参加でき、決勝はトーナメントで、2台同時に走らせて周回遅れはゴール前でも負け、という仕組です。
　予選１回目、去年の経験から完走すれば決勝トーナメントに進めることを知っていたので、極低速に設定して完走できました。55.28秒。予選２回目、完走できたので、スピードを上げましたが、途中で逆走してしまい失格（笑）。粘り強いライントレースの成果です、たぶん。
　決勝トーナメント、２回目の失敗から微分ゲインをあげてみました、より安定しましたが、半周する前に相手の日産テクノTECHNO01に追いつかれ（周回遅れ）、取り上げてしまい、タイムは出ませんでした。結局、予選1回目のタイムで一般参加45台中15位ということになりました。
　大会時のファーム 1017_kyuso_andante.c.txt

　本番より少しきつめのテストコースを【tgif】で書いてみました。A3のPDFです。
ストレートカーブ(中心半径44cm) クロスラインクランク

　今回、時間と勇気の不足により、速度の制御を実装できませんでした。これができればもっと安定するはずです。あと、DC-DCコンバータを高効率化して、モータにプラズマダッシュ\800を使いたいです。それから、タイヤがスリップするので、モータを強化する前にグリップを上げるか、スリップを考慮した制御するかしないとダメです。
　Allegro（アレグロ）やらVivace（ヴィヴィーチェ）やらが出るかは気分次第ということで。

H8 CPUボード各ピンの割り振り
J1	1	Vcc	CPUへ電源供給
	2	P77/AN7	電池電圧監視
	3	P76/AN6	NC
	4	P75/AN5	ラインセンサF
	5	P74/AN4	ラインセンサE
	6	P73/AN3	ラインセンサD
	7	P72/AN2	ラインセンサC
	8	P71/AN1	ラインセンサB
	9	P70/AN0	ラインセンサA
	10	GND	NC
J2	1	Vcc	NC
	2	PA7/TP7/A20/TIOCB2	左ブレーキ
	3	PA6/TP6/A21/TIOCA2	右ブレーキ
	4	PA5/TP5/A22/TIOCB1	CPU出力バッファ動作許可
	5	PA4/TP4/A23/TIOCA1	左モータ(PWM)
	6	PA3/TP3/TCLKD/TIOCB0	CPU出力バッファ動作許可
	7	PA2/TP2/TCLKC/TIOCA0	右モータ(PWM)
	8	PA1/TP1/TCLKB	左ロータリエンコーダ監視
	9	PA0/TP0/TCLKA	右ロータリエンコーダ監視
	10	GND	CPUへ電源供給
J3	1	Vcc	NC
	2	PB7/TP15/DREQ1/ADTRG	両ロータリエンコーダ動作許可
	3	PB6/TP14/DREQ0	NC
	4	PB5/TP13/TOCXB4	ラインセンサF LED
	5	PB4/TP12/TOCXA4	ラインセンサE LED
	6	PB3/TP11/TIOCB4	ラインセンサD LED
	7	PB2/TP10/TIOCA4	ラインセンサC LED
	8	PB1/TP9/TIOCB3	ラインセンサB LED
	9	PB0/TP8/TIOCA3	ラインセンサA LED
	10	GND	NC
J8	13	P53/A19	PUSH SW
	14	P52/A18	PUSH SW
	15	P51/A17	PUSH SW
	16	P50/A16	PUSH SW
SW	1	P63/AS	DIPSW MSB
	2	P62/BACK	DIPSW
	3	P61/BREQ	DIPSW
	4	P60/WAIT	DIPSW LSB

材料
名前	数	価格
電解コンデンサ47uF	1	50
74HC08	1	40
74HC241	1	50
チップトランジスタ2SC3325	2	30
チップトランジスタ2SA1313	2	30
セラミックコンデンサ10nF	2	40
Pch FET J439	2	400
Nch FET K2956	2	500
パワーダッシュモータ	2	700
真鍮ピニオンギア	2	20
ミニ四駆平ギア	2	?
ミニ四駆6角シャフト	2	?
レストンスポンジタイヤ	2	300
小径ホイール	2	200
ボールベアリング	4	600
秋月B基板	2	220
焼肉のたれ容器	1	0
フォトトランジスタTPS612	7	420
赤外LED TLN113	5	300
ジャンクマウスの赤外LED	2	100
1000mAh NiCd電池	6	1800
単3電池ホルダ	1	20
ピンヘッダプラグ	30列	100
10uFチップ積セラコン	3	60
100uF電解コン	2	40
コイルコア	1	80
トランジスタ2SC1815	1	10
トランジスタ?????	1	400
3端子レギュレータS813 50HC	1	50
チップ抵抗	17	17
チップ積セラコン 100nF	3	3
直径2mmUEW	適量	5
直径0.3mmUEW	適量	5
直径0.12mmUEW	適量	5
エポキシ樹脂接着剤	適量	100
ほっとボンド樹脂	適量	20
半田	適量	10

だいたい合計		9000

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Since 2004/10/25
LastUpdated 2004/10/25

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