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shotaのマイクロマウス研修17 回路設計⑤:ESP32ソフト書き込み基板と間違い

こんにちは、shotaです。
社員研修として、オリジナルマウスを製作しています。

[前回の記事]ではモータドライバとエンコーダについて書きました。
今回は

  • マウス基板のその他モジュール(モーションセンサ・インジケータ・ソフト書き込み)
  • ソフト書き込み基板の回路
  • LiPoバッテリー充電回路
  • 回路の間違い
  • について書きます。

    マウス基板のその他モジュールについてはサラッと流して、ソフト書き込み基板をメインに説明します。

    マウス基板
    その他モジュール ブロック図

    ブロック図はこのようになりました。

    点線から左側は外部回路で、ソフト書き込み基板があります。
    点線から右側が内部回路で、左からソフト書き込みコネクタ・ESP32・モーショントラッキングセンサ(6軸加速度・ジャイロ)・LED x2があります。

    ソフト書き込みコネクタには、データの送受信をするTx/Rxと、書き込み時にESP32のモードを切り替えるBOOT/ENを接続します。
    モーショントラッキングセンサとESP32はSPI通信でやり取りします。インジケータ回路にはLEDを2つ用意します。

    モーショントラッキング回路については、回路流用元の[HM-StarterKit]と同じ構成です。
    ESP32特有の部分は、ソフト書き込みに使う信号(Tx/Rx/BOOT/EN)です。

    それでは、それぞれの回路図について説明します。

    モーショントラッキング回路

    回路図はこのようになりました。


    この回路は、[ICM-20648データシート]の推奨回路と一致しています。

    インジケータ回路

    回路図はこのようになりました。


    ESP32のI/Oピンで、LEDの点灯させます。

    ソフト書き込み回路

    回路図はこのようになりました。

    回路図と言ってもコネクタがあるだけです。
    ソフト書き込み必要な信号(Tx/Rx/BOOT/EN)とGNDを接続しています。

    ソフト書き込み基板

    続いて、ソフト書き込み基板について説明します。
    ソフト書き込み基板も回路流用元の[HM-StarterKit]と同じ構成ですが、一部ESP32特有の回路があります。

    回路ブロック図はこのようになりました。

    ソフト書き込み基板には、ソフト書き込みと、バッテリ充電の2つの機能があります。

    左側の外部回路にはPCとバッテリが、右側の外部回路にはマウス(ロボット)があります。
    内部回路左上のUSB Micro-BコネクタはPCと接続されます。USBの信号は、真ん中のIC(FT232RL)でシリアル信号に変換され、外部のマウスに送られます。

    変換ICからはDTR/RTSも出力され、この信号を用いてBOOTとENをON/OFFし、ソフトを自動で書き込みます。また、手動でBOOT/ENをON/OFFできるようにタクトスイッチも接続されています。

    内部回路左下がバッテリ充電ブロックで、USBの電源(VBUS)を用いて、外部のバッテリを充電します。

    それでは、それぞれの回路図について説明します。

    USB-Serial変換回路

    回路図はこのようになりました。
    USB-シリアル変換は[FT232-RLのデータシート]の推奨回路を参考にしました。
    また、自動ソフト書き込み部分については、[ESP32-Devkit-V4の回路図]流用しました(ここ重要)


    まず、Micro-Bコネクタから必要な信号を取り出します。IDは使用しません。


    USBの信号をシリアル変換IC(FT232RL)へ接続します。ICからは、LEDに接続するTXLED/RXLEDと、シリアル通信のTXD/RXDとDTR/RTSが出力されます。大事なことなのでもう一度、DTR/RTSが出力されます。


    続いて、ソフト書き込み用のスイッチ回路です。
    左側は手動ソフト書き込み用のスイッチ回路で、それぞれBOOTとENに接続しています。BOOTとENは、マウス基板側でプルアップされています。
    ESP32ではソフト書き込み時に、プルアップされたBOOTとENをON/OFFしなければなりません。

    そもそもBOOTとENの役割は何なんだ?ということで、[ESP-IDF Programming Guide]を見てみましょう。

      EN: Reset button.

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    shotaのマイクロマウス研修16[回路設計④ モーダドライバ・エンコーダ回路]

    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]では物体検出センサ回路(壁センサ)について書きました。

    今回はモータドライバ・エンコーダ回路について書きます。

    モータドライバ・エンコーダ回路 ブロック図

    モータドライバ・エンコーダ回路のブロック図はこのようになりました。

    ブロック図中央のモータドライバは、ESP32から送られてくる正転・逆転や回転速度(PWM Duty)の信号を、モータ出力電圧に変換します。ブロック図下のエンコーダは、マウスのホイールに取り付けられた磁石の磁気を読み取り、ホイールの角度を出力します。

    モータにはMK06-4.5を使用します。[アールティWebショップ]から購入できます。

    この構成は、回路流用元の[HM-StarterKit]とほぼ同じですが、エンコーダのMA700が新規設計非推奨だったため、後継機のMA702に変更しています。

    モーダドライバ回路図

    回路図はこのようになりました。

    モータドライバ回路は、モータドライブIC [DRV883のデータシート]に書かれている参考回路とほぼ一致します。それとは別に、モータ電流を滑らかにするためにインダクタ(L1, L2)を追加しています。

    マイクロマウスで使うモータは小さいため、電気的時定数が小さい傾向が有ります。その場合、PWM入力に対して電流が反応しやすくなるため、電流スパイクが発生しやすくなります。この電流によりモータが発熱したり、制御が不安定になるという問題が有ります。

    インダクタを追加した理由は、モータ電流を滑らかにし、モータの発熱と制御の不安定さを抑えるためです。

    参考:[パルス出力ステージ(PWM)とチョークコイル – マクソンアカデミー]

     

    ESP32と接続するピンは、PH(正転・逆転の切り替え)、EN(モータ出力制御(PWM))、SLEEPの3つです。PHとENは、右・左モータで独立しています。SLEEPは右・左共通です。

     

    ESP32のピンアサインについては後ほどまとめて記事にしますが、ここでESP32のPWM機能について簡単に触れておきます。

    ESP32 MCPWM機能について

    ESP32でモータ制御をする場合、MCPWM機能を使います。MCPWMはMotor Control Pulse Width Modulator (MCPWM)の略です。まさに、モータ制御のための機能ですね。

    MCPWM機能の全容は[ESP32のTechnical Reference Manual]を参考にしてください。MCPWMのAPIは[こちら]のページに書かれています。また、サンプルコードが[GitHub]に公開されているので、先にコードを読んだほうが機能を理解しやすいかもしれません。

    ここでは、APIのドキュメントからMCPWMの機能をざっくりとまとめてみます。

    ※ここに提示している画像は[ESP-IDF Programming Guide]内のものを使用しています

    • MCPWMユニットは2つあり、それぞれのユニットが3つのペア(A,

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    shotaのマイクロマウス研修15[回路設計③ 物体検出センサ回路]

    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]では電源回路について書きました。

    今回は物体検出センサ回路(通称:壁センサ回路)について書きます。

     

    物体検出センサ回路

    物体検出センサ回路のブロック図はこのようになりました。

    点線から左側が内部回路で、上半分が発光回路、下半分が受光回路です。

    点線から右側が外部回路です。回路はありませんが、赤外線を反射する壁があります。

     

    物体の検出にはフォトリフレクタ[LBR-127HLD]を使用します。

    フォトリフレクタには赤外線発光ダイオードとフォトトランジスタが内蔵されており、ダイオードが発光した赤外線が壁で反射し、フォトトランジスタで受光されることで壁を検出できます。

    壁がない場合は、赤外線が反射されず、フォトトランジスタが受光できません。

     

    回路図はこのようになりました。

    自分のマイクロマウスには、この検出回路が4つ搭載されます。それぞれ、前(左)・左・右・前(右)の壁を検出します。

     

    それでは発光回路・受光回路について説明します。

    発光回路

    回路図は[HM-StarterKit]を流用していますが、より詳しい発光回路の動きについては[マイクロマウスのセンサについて②]を参考にしました。

     

    参考記事に書いてあるとおり、環境光による壁の誤検知を防ぐため、発光ダイオードをパルスでON/OFFさせます。パルスの周波数は1kHzとします。

    発光ダイオードを1kHzでON/OFFすると、それに伴い電源電流が変動します。この変動をなだらかにするためにローパスフィルタを搭載しています(回路図のR5とC11)。

    素子の定数はHM-StarterKitの値をそのまま使用しています。電源ICがHM-SterterKitのものから変わっているので、実際に動かした時の波形を見て定数を変えようと思います。(もしかしたらフィルタ回路が不要かもしれません。)

     

    ON/OFFするパルスは、ESP32から出力します。発光した赤外線が別の受光部に入らないように、4つのダイオードを別々のタイミングで発光させたいです。

    そのためには、パルスの出力端子も4つ必要ですが、ESP32の端子数が足りないため出力端子を2つに減らしています(回路図のIRLED_R_FLと、IRLED_L_FR)。

    本来は別々に点灯させる、RとFLを同時に点灯させます。同じようにLとFRも同時に点灯させます。

    RとLのセンサは角度が傾いているので、センサRとFL、LとFRのペアで発光すれば、誤検知しません(おそらく)。

    受光回路

    こちらも、HM-StarterKitの回路図を流用します。

    フォトリフレクタに内蔵されているフォトトランジスタは、ベース電流の入力が光の入力に置き換わったトランジスタです。

    [赤外LEDとフォトトランジスタ –

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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。

     

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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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