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固定センサの制御

もう半年ぐらい経ってしまいましたが横須賀の大会の時に発表させてもらった
マイコンカーで使っている固定センサの制御の内容を改めて
ここでも説明したいと思います。

今のセンサ7個で行っている制御の内容です。

○素子の種類
  発光側は Vishay Semiconductors TSHF6210
  半減角10度の赤外LEDです。

  受光側は コーデンシ ST-1KL3A
  マイクロマウスで良く使われてるフォトトランジスタです。


170109_01.jpg
↑これがセンサを横から見た様子です。
上がフォトトランジスタで、下が赤外LEDです。
上下は逆でもあまり問題無いようです。

○素子の配置について

  発光側と受光側の遮蔽をしっかりする。
   遮蔽が甘いと黒の路面を見た常態でも反応が低くなりにくいので
   白と黒で大きな変化が得られなくなります

   薄い樹脂板等だと透けてしまう場合があります

  素子の前方は出来るだけ開けた形状にする。
   外乱対策や検出範囲を絞る目的でカバーを付けた実験もしましたが
   あまり狙ったメリットは得られず、光量をロスして遠くを見られないという
   デメリットが大きく出てしまいました。

  光軸がずれないようにする。
   衝突で光軸がずれると調整が狂うので、
   素子をFRPに接着して強固に固定しています。
   ある程度の調整は出来た方が良いですが、クラッシュ対策は万全にしたほうが
   調整で苦労する量が少なくて済みます。

○回路について
  発光素子は7個直列で配線し、約5Ωの電流制限抵抗で電流を調節しています。
  電流制限抵抗はワット数が少なめだと発熱し、時間経過と共に
  電流が少なくなっていくので抵抗の温度に注意するか、
  Wに余裕を持たせる必要があります。
  大きいWの抵抗は大きく重いので車体に乗せたくありませんが、
  面実装の抵抗は比較的
  小型軽量でWが大きいので向いていると思います。

  発光素子の電源はこのDCDCコンバータを使用し、
  約17V程度を発生させて電源にしています、
  電圧が調整出来るので光量の調整もここで行う事が出来ます。

  受光側の回路は普通のアナログセンサと同じ構成で、
  プルダウン抵抗を多少調整しています、今は2.2KΩが付いています。

○素子の駆動について
  発光側の素子を2kHz,Duty25%のパルスで発光させています。
  パルス発光によって以下のメリットがあります。

  そのまま25%にすると消費電力が4分の1に出来る。

  素子に流せる電流は限られている(100mA程度)が、
  遠くを見るために大電流が流したい。

  流す時間が4分の1であれば大体4倍の電流を流しても問題無い
  (スペック上はON時間の長さも制限されていて、
  いくらかオーバーしていると思います)
  これによって消費電力は大体元通りになりますが、
  遠くを見る上で大きなメリットが得られます。

  ON時とOFF時の差分を見る事で外乱の影響をある程度取り除く事が出来ます、
  これが一番大きなメリットです。

○パルス駆動による差分の取得について
170109_02.jpg

  25%ON,75%OFFのパルスでセンサを駆動し、フォトトランジスタの
  電圧をオシロで測定すると上の様な波形が観測出来ます。

  OFFにする直前にAD変換でON時の電圧を取得し、
  ONにする直前にOFFの電圧を取得しています、
  波形からも分かるとおりフォトトランジスタの応答に遅れがある為、
  出来るだけ待ってからAD変換を行いAD変換終了後に
  ONOFFの切り替えを行っています。

  ON時のセンサの反応は 白線に対する反応+外乱 で、
  OFF時のセンサの反応は 外乱のみの反応 です。

  ON時の反応値からOFF時の反応値を引けば
  外乱の影響をある程度取り除く事が出来ます。
 
○ライン追従について
  センサは7個使用しています。

  車体に固定されていて、サーボと連動はしていません。

  7個あるセンサを左からL3、L2、L1、C、R1、R2,R3と呼んでいます。

  初期状態(線が中心にある状態)だとL1とR1の見ている範囲の間に線があるので、
  L1とR1の反応を比較し陀角に反映しています、

  この比較をしている最中に線が右に寄った場合は一定の条件で
  比較するセンサを一つ右にずらします。(CとR1の比較に切り替えます)
  上記の比較と切り替えを更に外側のセンサや、左側でも行っています。

  使用するセンサを切り替えた場合、反映する陀角に一定のオフセットを加える事で
  出来るだけ滑らかな追従が出来るように調整しています。

○追従中のセンサの切り替えについて
  L1とR1を比較している時に線が右に寄り、R1の値が大きい状態と仮定します。
  
  R1が大きい場合は使用しているセンサの一個右のセンサ(CとR2)の
  値もチェックしています。(陀角には影響させていません)
  
  L1<R1 + C<R2が成立した場合陀角に
  反映させるセンサをCとR2に切り替えます。
  (実際にはもう少し微調整がありますが大体こんな原理です)

  こんな条件でセンサの切り替えを行い、

  L3とL1の比較
  L2とCの比較
  L1とR1の比較
  CとR2の比較
  R1とR3の比較

  この5つの状態を切り替えてラインを追従しています。

  また、この切り替えが成立するために
  各センサの可視範囲はかなり重複させています。

○その他走行に必要な検出について
  ハーフラインの検出は追従に使用しているセンサと
  その外側のセンサで検出しています、
  クロスラインはハーフラインの条件を左右で確認し検出しています。

  上り下りの判定は反射角の変化でセンサの反応が
  大きく変化するので検出可能です、
  直進時の例だとL1+C+R1の合計で判定しています。

  スタートゲートの判定もハーフラインの条件で判定可能です。

○この方式のデメリットについて
  あまり遠くが見えない(200mm程度)

  下り坂で線がほとんど見えなくなる(ソフトである程度対処可能)

  カバー出来る角度(操舵方向)の範囲があまり広くない

  重心が高くなる

  センサの消費電力が大きい

  前例があまり無いので調整がうまく行かない時に困る


○この方式のメリットについて
  サーボに要求される性能がそれほど高く無い

  角度制御のみなのでバックラッシュをシビアにしないでも発振しない

  アームを振らないのでトルクが少なくても平気

  同じくアームを振らないので操舵の反動がほとんど無い

  クラッシュ時にアームをぶつけないのでサーボが壊れにくい

  サーボの応答性能がライン追従とあまり関係無いのでレーンチェンジや

  クランクの引き込み時の限界速度が高い

  追従時にも切り返し等でセンサが外れてコースアウトしにくい


結構長くなってしまいましたがこんな感じです、
多分分かりにくいと思うので質問があればコメントでも
大会で見かけた時でも聞いて下さい。
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夏の横須賀の大会

2016年ルネサスマイコンカーラリー競技会&技術交流会 in 横須賀に参加してきました。
今回は練習走行日が復活したので沢山走らせられて良い練習になりました。

IMG_1795.jpg
今回は新車で挑みましたが結果はクラス2位でした。

IMG_1591.jpg
IMG_1594.jpg
IMG_1606.jpg
作成中の様子です、フロントのステアリング機構がよくわからない事になっています。
車重は以前は大体600gジャストだったのが630g程度に。
捩れ剛性は以前の車体がかなり柔らかかったのに対しだいぶ硬くしました。
急劇なオーバーステアの抑制を狙って、ホイールベースが180mmから190mmに。
感覚的なものですが以前の車よりちょっとコーナーが遅いかもしれません、
オーバーステアはかなり抑えられた物の終始アンダーで陀角も不安定。
車体が駄目なのか、調整でどうにかできるのかはまだ結論が出ていません。
というかみんな速いなぁ・・・

練習走行の日に発表の時間を頂き、以前からやっている固定式センサの説明を
させてもらいました。
あまりうまく出来る自信はなかったんですが、貴重な機会なので。
正直わかりにくかったと思います、すみません。

IMG_1522.jpg
IMG_1590.jpg
IMG_1576.jpg
それと今回から導入した要素としてCNC切削でギアの自作をやってみました。
一番上の写真は切り出したギア(白色)と市販のギア(オレンジ色)を
噛み合わせた様子です。
上記のギアを3個組み合わせてGFRPの板にネジ止めし、
1枚のギアにしています。(二枚目)
中心の小ギアはカワダのジュラルミンピニオンをGFRPに圧入で固定しています。
最終段ギアも自作し、カーボンのベース板にネジ止めしています。(三枚目)

切削でギアを切るのは以前から挑戦したかったんですが、
やってみると意外と使い物になる出来に仕上がりました。

IMG_1801.jpg
何年も前から言っていたんですがロボトレースに今年こそは出るぞ、
という事で新しいマイコンの使い方を学習中です、
今の所サーボの制御に成功、サンプルコードが豊富で今の所
あまり苦労していません。(これから苦労すると思います)
果たして3ヶ月で完成するのか・・・?

コネクタの根元

ポテンショメーターやセンサの配線で小さいコネクタを良く使うと思いますが、
線が動いたり引っ張る頻度が高かったりすると良く断線すると思います。

http://www.cemedine.co.jp/product/domestic/superx/gold.html

そこで配線した後にセメダインのスーパーXと言う接着剤で根元を固めています。
こうするとコネクタの再利用がし難くなるので最初は抵抗がありましたが、
実際に使ってみると断線が起きないので問題になりませんでした。
IMG_1378.jpg

適度な粘度と硬化時間なので適当に盛り付けて放置すると根元に馴染んでくれますが、
今の所コネクタ内部に浸透して不具合が起きた事もありません。

固まっても弾力がある点が配線の被覆を支えるのに丁度良いようです。



マイコンカーとはあまり関係ないですがラジコンに使うタイヤを削るのが面倒なので
自動で削る道具を作ってみました。
IMG_1376.jpg
IMG_1377.jpg

バネで圧力を加えて紙やすりを押し付けるだけのものですが、セットしてしばらくすると
勝手に望んだ径に削られたタイヤが出来るのでなかなか便利です。

押し付けるヤスリの可動軸はガタを気にしてベアリング支持とし、
側面にグリスを塗る面を設けてフリクションダンパーの機能を持たせました、
グリスが無いとヤスリが大きく振動するので付けて正解だったようです。

切削量のリミットネジを調整する事で仕上がり径を調節できます。

春の大会2016

毎年恒例のRMCR春の大会に行ってきました。

今回はフロントの剛性を上げる為にいくつか新規パーツを投入、
しかし当日シェイクダウン。

予選は最初の内は調子が良く暫定トップになるも、しばらくしてJunさんに抜かれ2位に。
なんとか食い下がれないかとあれこれやっていると全然完走しなくなってしまった・・・
それ以上のタイムが出ないので2位も維持できないかと思っていたけど
なんとかぎりぎりで逃げ切る事が出来ました。

完全に練習不足でパラメーターがいい加減過ぎる、
適正値に合わせる事で予選を消費してしまった・・・
結局予選中に満足のいく状態に出来ないまま時間切れ。

これはまた決勝1回目コースアウトありえるなと思いつつ、
現状で出来る最善は何かと悩みながら決勝までの時間を過ごす。

とりあえず多少タイムが落ちても完走させる方向で走らせたら二回完走、
もしやこのまま行けるのかと油断したらやっぱりコースアウト。

と言うわけでクラス1位、決勝ベスト8でした。

後から思えば新規パーツでフロントだけガチガチになってシャーシの
捩れ剛性が負けてバランスが悪くなっていた。
スロー撮影で見るとコーナー進入時の前輪の滑り方が
瞬間的に前輪に無理な負荷をかけたような滑り方になっていた。
その辺の事も踏まえて新車作ります。

RMCRは走行回数が多いので毎回楽しいですね。
参加された皆さん、スタッフの皆さんお疲れ様でした、ありがとうございました。

良いシャフト

s-IMG_1235.jpg

随分前から車軸にはOZAK精工の高周波焼入れシャフトを使っています。
(今は粉末ハイス鋼のシャフトに変更しました、少しこっちのほうが硬いかな・・・?)

とても頑丈で、φ3でもクラッシュで曲がることは滅多に無いです。
(坂の上から落下しても大抵平気)

硬いのでリューターにダイヤの刃を付けて切断しています。

他にはサーボの中間段の軸やアッカーマンのキングピンにモーターのシャフトを
取り外して使用しています。
指定モーターから外した場合φ2ですが
これも頑丈でなかなか曲がりません。

材質が鉄なので重いですが、重さに対して得られる強度がとても大きいので
うまく設計すれば軽量化に繋がります。

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