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shotaのマイクロマウス研修14[回路設計② 電源回路]

こんにちは、shotaです。

社員研修として、オリジナルマウスの製作しています。

[前回の記事]では回路ブロック図について書きました。

今回は電源回路について書きます。

 

マウスの回路ブロック図(振り返り)

マウスの回路ブロック図は以下のとおりでした。

今回は、この左上部分の電源回路について書きます。

 

電源回路の回路ブロック図

電源回路のブロック図はこのようになりました。

点線から左側が外部回路で、LiPoバッテリが接続されます。

点線から右側が内部回路で、コネクタから始まり、スイッチやLDO、その先にはESP32マイコンやモータドライバが接続されます。

 

それでは、各ブロックの役割を左から順に説明します。

LiPoバッテリ

LiPoバッテリは、電源回路(広く言えばマウス回路)の電源供給源です。バッテリがなければ回路は動きません。

どのLiPoバッテリを使用するかは、動かしたい回路の電源電圧や消費電流などから選定します。

今回は[HM-StarterKit(通称ハムスター)]で使用しているバッテリ 3.7V 150mAhを使用する予定ですが、容量を何mAhにするかは実際に動かしてみて決めたいと思います。

ESP32はWiFiやBluetoothが使用できるので、150mAhでは容量が足りないことを懸念しています。

 

別のLiPoバッテリ使用する場合は、[Amazonで”lipo 3.7V”と検索]したり、模型屋さんでドローン用のバッテリを調べたりして入手しようと思います。

 

電源コネクタ

電源コネクタは、使用するバッテリのコネクタ形状に合うものを選びます。

今回はハムスターで使用しているものと同じ、JSTのZHコネクタを使います。

[ZHコネクタ データシート]

ケーブルが車体外に飛び出ないようにトップ型を選びます。

また、ケーブルを繰り返し抜き差しすることを想定して、スルーホールタイプ(表面実装タイプではない)を選びます。

(私はケーブルを外すときに、表面実装のコネクタを剥がした経験があります)

 

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shotaのマイクロマウス研修13[回路設計①]

こんにちは、shotaです。

社員研修として、オリジナルマウスの製作を始めます。

[前回の記事]ではオリジナルマウスの設計方針を決めました。[HM-StarterKit(通称ハムスター)]の回路を流用して、設計時間を短縮するということでした。

今回から回路設計を始めます。

 

マウスの回路ブロック図

まずはじめに回路ブロック図を作ります。

回路ブロック図を書くと、システムに必要な回路要素(ブロック)を把握でき、要素間の接続も確認できます。

各ブロックに使用する素子・ICや、接続する電源電圧等を書いておくとより便利です。

 

今回は簡易的な回路ブロック図を作成しました。

[ハムスターの回路図]をベースにしていますが、マイクロマウスとしてはベーシックな回路構成になっていると思います。

(最近では[吸引ファン]を取り付けるのが流行ってるみたいです)

 

このブロック図について簡単に説明します。

  • バッテリ・電源コネクタ・電源回路
    • マイクロマウス(というか回路)を動かすには電源が必要です。
    • [マイクロマウス(ハーフサイズ)競技規定]より、マウスの大きさに制限があるため、ACアダプタによる電源供給は難しそうです。
    • 競技規定より、燃焼を利用したエネルギー源は許されないので、残念ながらエンジンは搭載できません。
    • 以上より、比較的サイズの小さいLiPoバッテリを使います。
  •  マイコン回路
    • 競技規定より、マイクロマウスは自立型でなければなりません。そのためには頭脳となるマイコンが必要です。
    • マイコンにはESP-WROOM-32Dを使用します。
  • モータドライバ・エンコーダ・DCモータ
    • 迷路を走行するためにはタイヤとモータが必要です。モータを動かすためにはモータドライバが必要です。
    • また、走行速度や走行距離を推定するためにはエンコーダが必要です。
    • 競技規定より、迷路の壁を飛び越したり、 よじのぼったりしてはいけいないので、残念ながらジャンプ機構は搭載できません。
  • 物体検出センサ回路
    • いわゆる壁センサです。
    • 迷路の壁を検出し、マウス自身の位置や姿勢を推定するために必要です。
  • モーショントラッキング回路
    • マウス自身の位置・速度・姿勢を推定するために必要です。
    • 加速度センサ・ジャイロセンサを搭載します。
  • インジケータ回路
    • プログラムの状態を表示するために必要です。
    • LEDを搭載します。
  • ソフト書き込みコネクタ
    • マイコンにプログラムを書き込むために必要です。
    • 回路規模の縮小のためコネクタを用意せず、基板に導線をハンダ付けしてプログラムを書く方法もあります。
      • 毎回毎回ハンダ付けするのは手間がかかるので採用しません。

マウスの回路図

そして・・・出来上がった回路図がこちらです。

次回から、各回路ブロックについて説明します。

 

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shotaのマイクロマウス研修12[オリジナルマウスの設計方針]

こんにちは、shotaです。

社員研修として、オリジナルマウスの製作を始めます。

[前回の記事]ではESP32のSPI機能を使ってみました。

今回はオリジナルマウスの設計方針を決めます。

 

オリジナルマウスの仕様

オリジナルマウスの仕様は[この記事]に書いてます。

ESP32を使う、というのが一番の重要項目です。

 

オリジナルマウスの設計方針

まずはじめに、設計の時間がとても少ないことを考慮しなければなりません。

全日本マイクロマウス大会は12月はじめごろに開催されるのですが、地区大会がそれよりも早く開催されます。

[2018年のスケジュール]を見ると、7月頭から地区大会が始まっています。。。

残りの4ヶ月で迷路を走れるマウスを作らなければなりません。これは厳しい。。。

ということで、できるだけ頑張らない設計方針を決めました。

  • ESP32のソフト設計・開発に集中する
  • 情報公開できる設計資料を作る

方針①:ESP32のソフト設計・開発に集中する

マイクロマウスを実現するには、

  • 走行するためのタイヤ・モータ、壁を検知するセンサー
    • それらを動かす回路
      • 回路を動かすソフト

を選定・設計・開発しなければなりません。

 

先程も述べたとおり、大会まで時間がないので・・・

  • 走行するためのタイヤ・モータ、壁を検知するセンサー → HM-StarterKitをコピーする
    • それらを動かす回路 → HM-StarterKitをコピーする
      • 回路を動かすソフト → ここを頑張る!!!

という方針でマウスを作ります!

[HM-StarterKit(通称ハムスター)]は弊社アールティが開発・販売するマイクロマウス競技(旧ハーフサイズ)向けの学習キットです。

HM-StarterKitの回路図は[GitHub]に公開されています。

そしてなんと、このHM-StarterKitを設計・開発した人が社内にいます! (質問し放題)

実績があり、情報量も多いマウスをコピーできる貴重な機会なので、この回路図をベースにESP32マウスを作ります。

 

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shotaのマイクロマウス研修11[ESP32でMPU9250とSPI通信する]

こんにちは、shotaです。

社員研修として、オリジナルマウスの製作を始めます。

[前回の記事]ではオリジナルマウスの仕様を決めました。

今回はタイトルの通り、ESP32で9軸センサMPU9250とSPI通信をします。

 

確認すること

できあがったプログラムがこちらです

n分クッキングみたいですが、先に完成したプログラムと通信結果を紹介します。

プログラムは[GitHub]に公開しています。[ESP-IDFのサンプル]をもとに作成しました。

WHO_AM_I(0x75)の応答のみを実装しています。

 

通信結果はこちらです。MPU9250からの返答0x71が確認できます。


SPI通信信号をロジアナで確認した結果がこちらです。

ESP32からの送信信号0xF5(Readビット(0x80) + WHO_AM_I(0x75))と、MPU9250からの返答0x71が確認できます。

また、通信クロック500 kHzも確認できます。

それでは、このプログラムができるまでの過程をここに書きます。

 

開発環境の導入からHello Worldまで

は、省略します。公式ページを見れば実施できるため、ここには書きません。

[ESP-IDF Programming Guide]Get Startedから開発環境(ESP-IDF)を導入してください。

私は、Linux(Xubuntu 16.04)に開発環境を作りました。使用するESP32のボードは[ESP32-DevKitC-32D]です。

 

ESP32のSPI機能について確認

まず、[公式ドキュメント]や、[Technical Reference Manual][データシート]を閲覧することを推奨します。

ここでは、引っかかった項目をピックアップします。

 

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shotaのマイクロマウス研修10[オリジナルマウスの仕様を決める]

こんにちは、shotaです。

社員研修として、オリジナルマウスの製作を始めます。

[前回の記事]で、ESP32を使ったマウスを作る!!という目標を掲げました。

今回はより詳細な仕様を決めたいと思います。

仕様決めのルール

設計を楽にするため(妥協するため)、仕様を3段階に分けます。

  • 最低限必要な機能・性能
    • これがないとマウスじゃない
  • 重要な機能・性能
    • 目指すマウスの姿
    • 目標
    • 欲望
  • できればほしい機能・性能
    • あったら嬉しい
    • 妥協できるところ

最低限必要な機能・性能

これがないとマウスじゃないという機能・性能です。実現しないと大会に出場できません。

  • 迷路を直進・旋回できる
    • 実現しないと迷路を走れません
  • 壁を検知できる
    • 実現しないと角を曲がれません迷路を解けません
  • 迷路情報をフラッシュメモリに保存できる
    • 実現しないと競技中にマウスの電源を切れません
  • 電源スイッチがある
    • 実現しないと電源を切るためにバッテリーを引き抜かなければなりません
  • モード切替インタフェースがある
    • 実現しないと電源ONですぐに走り出しちゃいます

重要な機能・性能

目指すマウスの姿です。これらをすべて実現できるように頑張ります。

  • ESP-WROOM-32Dを使う
    • 一番重要な項目です。ESP32はマイクロマウスで使えない。なんてことにならないようにがんばります。
  • WiFi・Bluetoothが使える
    • ESP32の主な機能の一つです。ただ、マウスで使うにあたって注意事項があります。この記事の最後に書きます。
  • 組み込みOS(FreeRTOS)が使える
    • 組み込みでマルチタスクを使ってみます
  • AWSと接続して迷路データをクラウド(AWS)に送信できる
    • 番むずかしい仕様だと思います。
    • これまで使っていた[Pi:Co Classic3]では、マウスとPCをUSBで接続して、迷路情報を[Tera Term]に表示していました。
    • 無線で迷路情報をクラウドに送信し、いつでもどこからでも迷路情報を閲覧できるようにしたいです。
  • DCモータを使う
  • Linuxのターミナルで開発できる
    • (Windows使いたくない)
    • (好きなエディタ(NeoVim)を使いたい)

 

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shotaのマイクロマウス研修9[オリジナルマウスの製作開始]

こんにちは、shotaです。

社員研修として、オリジナルマウスの製作を始めます。

 

前回までの研修では[Pi:Co Classic3]を動かしていました。

Pi:Coはマイクロマウスキットなので、筐体設計・基板設計は不要です。

マウスに必要なプログラミング要素を学ぶことができました。

 

今回からはいよいよマウス研修の本番です。

筐体・回路・プログラムのすべてを設計・製作します。

 

研修の課題

は、オリジナルマウスで迷路を走る(完走?)、です。

つまり、クラシック競技でもハーフ競技でも、早いマウスでも遅いマウスでも、何でもOKということです。

 

課題がゆるふわだと製作するマウスもゆるふわになってしまうので、まずはどんなマウスを作りたいか(目標)を決めます。

 

どんなマウスを作りたいか(目標)

ESP32を使ったマウスを作る!!!

 

ESP32(ESP-WROOM-32D)って何?

秋月さんの販売ページの言葉を拝借すると、以下のとおりです。

ESP-WROOM-32は、WiFiとBluetoothが一つのモジュールに収まったワイヤレスモジュールです。SPI、UART、I2C、I2S、PWM、GPIO、SDIO、ADコンバータなど、多彩なインターフェースが内蔵されています。モジュールは工事設計認証(技適/TELEC)番号を取得済みですので安心してお使い頂けます。

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-13318/

詳細な情報は[ESP-WROOM-32Dのデータシート]を読んでみてください。

 

また、秋月さんからはブレッドボードに差し込めるタイプの[開発ボード]が販売されています。

お手頃価格ですので、話題のIoTを始めたい方にはピッタリだと思います。

なぜESP32を使いたいか?

理由は主に3つです。

  • WiFiとBluetoothが使える
  • マウスに必要な機能(GPIO、ADコンバータ、PWM、I2C、SPI、フラッシュメモリ…etc)がある
  • 組み込みOS(FreeRTOS)に対応している

 

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shotaのマイクロマウス研修8[2018年の振り返り]

こんにちは、shotaです。

社員研修として、弊社が販売するマイクロマウス[Pi:Co Classic3]を動かしています。

前回は全日本マイクロマウス大会の結果について書きました。

[前回の記事はこちら]

 

今回は2018年度のマイクロマウス活動を振り返ります。(10月から始めたので2か月だけですが・・・)

まず、大会直前にやったこと/実装した機能の反省です。[詳しい内容はこの記事にまとめています]

その後、2カ月全体の振り返りをします。振り返りにはKPTを使います。

KPTはプロジェクトを振り返るための手法の一つで、

  • Keep(成功しておりこれからも継続すること)
  • Problem(問題があり改善が必要なもの)
  • Try(問題解決のために挑戦すること)

を軸に活動を分析します。

[KPTとは]

 

大会直前にやったことの振り返り

大会直前にやることリストを作成したので、ドタバタしたマウス作業になってしまいました。(反省)[こちらを参照]

次回からは、余裕を設けてやることリストを作成したいです。

全日本大会の申し込みをする

大会2週間以上前に申し込みできたのでOK。

running_maze_Dataflash_usbをベースに新規作成

壁情報をフラッシュメモリに保存できたのでOK。探索走行を終えた後にマウスの電源を切ることができると、心が穏やかになります。

Git管理を開始する

管理を開始できたのでOK。WindowsのGit環境に慣れていないので、使いやすい環境を用意するか、Linuxでマイクロマウス作業ができるようにしたいです。

探索・最短走行中断処理を入れる

走行中にボタンを長押しすることで、走行モードを抜ける処理を追加しました。しかし、探索を中断する直前の壁情報を消す機能は未実装なので、次回に取り入れます。

ゴール座標設定モードを追加

ボタン操作でゴール座標を変更できたのでOK。プログラムを書き直さなくてもいろんな迷路で練習できるようになりました。

直線走行_最高速度・加速度設定モードを追加

速度・加速度をそれぞれ5段階で変更できるようになりました。残念ながら大会本番では走行に失敗したので、速度・加速度を上げることはできませんでした。

センサ閾値半自動設定モードを追加

ボタン操作でセンサ閾値を設定できるようになりました。しかし、全日本大会ではセンサ閾値を変更すると走行に失敗するようになりました・・・バグがあるかもしれないのでプログラムを見直します。

探索時、既知の区間を走るときは加速度を上げる

既知区間加速は、今やるべきことではない。

 

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Posted in Pi:Co Classic3 製作記, ブログ, 研修


shotaのマイクロマウス研修7[Pi:Co Classic3 全日本大会に出場]

こんにちは、shotaです。

社員研修として、弊社が販売するマイクロマウス[Pi:Co Classic3]を動かしました。

前回は、マイクロマウス全日本大会に向けてやることリストを作りました。

[前回の記事はこちら]

今回は全日本大会の結果を書きます。やることリストの反省は次回書きます。

 

全日本大会に出場しました

2018年12月1日、2日に開催された[第39回全日本マイクロマウス大会]に出場しました。

競技者はゼッケンをつけます。私はB競技台の7番目に走ります。

初日は会場で練習できます。会場が明るいのでセンサ値が心配でしたが走行できました。本番も期待できそう・・・

練習後はマウスパーティに参加しました。ものすごい人数と料理の数です。

マウスパーティ恒例の田代杯です。ハーフマウスを走らせるイベントです。

シンプルに見えるけども、エンコーダの誤差が蓄積するので意外と難しい迷路(通路)。

 

2日目が大会本番です。クラシックマウスのB競技台で走行しました。

クラシックマウス競技では5分間で5回までマウスを走らせます。私のPi:Coはこのように走りました。

  1. 迷路探索
  2. 最短走行(失敗)
  3. 最短走行(失敗)
  4. 最短走行(成功
  5. 時間切れのため走行なし

ギリギリセーフで最短走行を成功できました。結果は30.8秒です。A競技台では5秒台で迷路を走行しています。それと比べるとまだまだ改善できそうです。

大会の動画はこちらでご覧頂けます。

大会の結果はこちらに記載されています。

[マイクロマウス2018大会結果]

これからの活動について

大会も終わったので研修も終わり・・・ではなく、むしろここからが研修の本番です。2019年の大会に向けて、例年通りDCモータを使ったオリジナルマウスを作成します。

ハーフマウスにするのか、クラシックマウスにするのかは決まっていません。まずは、今回の大会を反省して、良かった点や改善点をまとめようと思います。

 

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DCマウス研修(inukai編)[23] マイクロマウス全日本大会

こんにちは!
inukaiです。

タイトル通りマイクロマウス全日本大会に参加してきました!
試走会や懇親会など大会の雰囲気はこちらから。

まずは試走会ですが、探索走行はできたもののなかなか最短走行ができない状態でした。
社内の迷路と大会の迷路では迷路の塗料の違いからかタイヤのグリップ変わっており、調整しておいたMAXのパラメータではターンで滑ってしまいます。

吸引力を増やしてグリップを稼ごうとするも、ジャイロにノイズが乗ってしまいそちらもうまくいきません。
(吸引ファンの出力は、電源の容量やノイズ、振動によるジャイロのノイズを考慮して抑えて走っていました。)

走行しているうちに試走会も終わりが近づいてきたころ、最後の試走で左後側のホイールとスパーギアが外れるというトラブルが発生。

ギアをよく見ていると削れているのが確認できます。

試走会の失敗で壁に衝突を何度かした時にタイヤがロックしてギアに負担がかかっていたようです。

懇親会の後、宿で予備パーツに交換をしました。

以前のこともあり念のためピニオンギアも一度外して再圧入の上接着しました。

宿で再度組み上げおよび調整を行い大会に備えます。

そして大会当日。
結果としては、15.063と無事最短走行をすることができました。
ただ非吸引での記録となり、吸引での最短走行は失敗してしまいました。

一回だけ吸引で走り切ったものの時間オーバー、時間を縮めることができたものの準備してきたパラメータは出し切れず。

とはいえ地区大会でできていなかった最短走行ができ、無事研修として区切りをつけれたかと思います。
今後は、機体について簡単にまとめて研修はいったん終了すると思います。
前日の故障や速度を出し切れなかったことなど悔しい気持ちもあるので、来年は本機体を改良して個人的に出場したいです。

ちなみに大会の様子は下記リンクの動画からご覧いただけます。
(リンクはクラシックマウスのB競技台の午前です。リンク先のチャンネルに午後の部やA競技台もあります。自分の走行は12:30程度から)

それではまた次回!

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DCマウス研修(inukai編)[22] 吸引ファンの作り直し

こんにちは!
inukaiです。

安定した走行ができるように調整の日々を過ごしております。
今日は少し時をさかのぼって11月初旬に行ったことを書こうかと思います。

全日本に向けた調整の前に、吸引ファンを再度作り直しました。
100円モータだと吸引に使うと発熱が大きい、電流を流すわりにトルクが出ていなさそうというのが気になっていました。
手ごろなものがあれば交換したいと思っていたところ、よさそうなモータを紹介してもらったので人柱として使用してみました。

購入したのはこちらのモータ。
京商 エクスピードドローンモーター DRW002
サイズはφ10 mm * 20 mm。
ピニオンギア(モジュール0.3、厚み4.5 mm、端数13)が付属してます。

 

こちらに合わせて、吸引ファンをNC加工機で切削して作りました。
というのも出力が上がったため、積層方式の3Dプリンタだと薄い羽の強度が足りずファンがばらばらに…
ばらばらになったファンの残骸がこちら

手元に5mmのPOMがあったため、それを使って削りだしました。

以前設計したファンは厚みが11 mm。今回は5 mm (羽は4mm)と薄くなったので吸引力がどうなるかが心配ですがとりあえず回してみました!

吸引力は約250 gと個人的には満足の結果がでました!
ただ実際の運用ではバッテリーの電流を考えて200 g程度に抑えて使用しています。

吸引用モータおよびファンの交換で、安定して高い吸引力がでるようになり発熱も気にならない程度になりました。
車体重量は105 g → 110 gと少し重くなっています。
ただ結果としては、重心が車軸より1 mm程度前といい感じに落ち着いたのかなと思います。
(吸引モータ交換前は、重心が若干車軸より後ろでした)

今回のDRW002は4つセットですが、1個あたり1300円程度と手ごろなのとパワーがあるので個人的にお勧めです。
モータは0.04 V程度から回りだしたので、摩擦も小さそうかなと思います。
上記の点やピニオンギアも付属していることを考えると足回りにもいいかもしれませんね。

いよいよ全日本直前ですので、最短走行を安定して走れるよう引き続き調整していきたいと思います!
それでは大会でお会いしましょう!

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