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2009年4月26日 (日)

回路が複雑になり過ぎている

来るGW中にマニュアル走行を完成させるべく、この土日で回路の配線設計をしています。先日紹介したMinimal Board Editor で部品のレイアウトと配線をしながら、20~30%くらい配線が進んできたところで、この回路はスルーホール基板で手作業で作るには複雑すぎるんじゃないかと思い始めました。

まずは現在の様子。大きな部品を乗せて、グランド系と電源系だけ引きまわして、こんな感じになってきました。

09catr_ctrl_module_too_complexed

基板の面積はさほど問題ではないのですが、これから先細かい部品が乗って配線が増えてくると配線の上を飛び越えて配線するケースが増えてきて、設計ミスや実装ミスが発覚したときに修正が難しくなる虞があります。その前に、設計そのものが正しいかどうか図面上で検証するのも大変そう。

複雑になったシステムを上手に管理するにはどうするか。古代ローマの時代から「分割統治」という定石がありますから、この回路も分割統治するのが賢いやり方だと思います。今回の回路は大きく分けると電源系、CPU系、モータドライバ系から構成されており、電源系が比較的切り出しやすいので、これを別基板にしてしまうのが良さそう。よく考えてみると、12V系は台車の制御とは無関係なので12V系だけ切り出してしまうという手もありそうです。

金曜日の夜から作業した分の時間を捨てることになりますが、実装後にトラブルが発生して改修する手間がかかるより今手を打っておいた方がトータルで必要な時間が短くなるものと信じて、電源系を別基板に切り出すよう設計変更したいと思います。

2009年4月23日 (木)

ロボット検定が始まるらしい

すでに@ITRobot Watchなどいくつかのメディアで取り上げられていますが、ロボットビジネス推進協議会がメカトロニクス/ロボット検定なるものを始めるそうです。狙いは人材育成ってことらしいですが、「マーケット側、現場から見た人材育成、実際にどのように使っていくか環境や構造のシステム化、安全性などをみることができる人材が重要」と言っている割には出題領域のマトリクスを見る限りでは安全性や信頼性、システム設計に関する出題がなさそうに見えます。法律や業界の標準規格の話が出てこないのは産業としてまだ育っていない証拠かもしれません。

企業に勤めると安全については、製品安全設計だけでなく作業環境や作業の仕方について教育を受けます。特にKYT(空気読めトレーニング、ではなくて危険予知トレーニングね)は定期的にやってます。しかし学生は(私が学生のときもそうでしたが)、安全性に関して教育を受けていないので危険に関する感度が低く、火花が散った、煙が出たなど普通だと思っているし、つくばチャレンジの車検では金属の切断面のバリ取りをしていないとかとがった部分がむき出しになっているとか、非常停止を無線やソフトウェアで行おうとしているとか。

微分方程式がとけることより安全性のほうがはるかに大切なことなので、せめて

  • フェールセーフ(Fail Safe:故障するときは安全側に倒れるよう設計する)
  • フォルトトレランス(Fault Tolerance:一部が故障してもまだ動けるよう設計する)
  • フールプルーフ(Fool-proof:馬鹿よけ)
  • ハインリッヒの法則(災害に関する1:29:300の法則)
  • 危険予知トレーニング

くらいはロボット検定の試験問題に入れていただきたいと思います。

部品の発注と配線設計

先日公開したHW設計仕様書と回路図で論理的な設計は完了したので、私のストックに無い必要な部品を千石電商に発注して実装のための配線設計に着手しました。

今まで私はガラスエポキシのスルーホール基板に回路を実装するのに、基板上に部品を適当に並べて回路図からいきなり配線していました。規模が小さいうちはそれでも済んでしまうのですが、部品点数が多く、配線が複雑になってくると配線を間違えたときにどこがどうつながっているのが正しいのか検証できなくなるので、そろそろ配線の設計までちゃんとやらなきゃいけないなぁと思っていました。なので、今年2月の初めくらいにAVRの練習用回路を組んだときはVISIOで配線図を描いてみたのですが、使い勝手が悪くてイマイチでした。

そんなあなた(私に?)に朗報。いつも回路図を書くのに使っているBSchの開発元である水魚堂さんから、Minimal Board Editorというプリント基板編集ソフトが出ているではありませんか! 早速ダウンロードして適当にいじってみましたが、プリント基板を設計するツールなのにピッチを2.54にすればスルーホール基板の設計にも十分使えそうです。そういうわけで、今回はこのツールで配線設計にチャレンジします。

今後の予定としては、今週末に配線設計をして、来週中には部品がそろうと思うので29日から回路の実装を始め、SH7125用のファームは去年のファームを流用して、ゴールデンウィーク中になんとかマニュアル走行を完成させるというスケジュールで行く予定です。

2009年4月20日 (月)

台車制御モジュールのハードウェア設計を公開します

4月10日の日記で予告した台車制御モジュールのハードウェア設計仕様書と回路図が、ようやく形になってきましたのでここで公開します。

まだ部品リストなどは作っていませんので、バージョンは0.8ということにしました。その設計はおかしくねぇか? みたいなところがあったらどんどん突っ込みを入れてください。

 

2009年4月19日 (日)

情報処理技術者試験行ってきました

去年はソフトウェア開発技術者試験に合格したので、今年はエンベデッドシステム・スペシャリスト(ES)試験を受けてきました。合格率は10~13%という試験だそうですから、それなりに難しいと言えます。でも、今日試験を受けた感じではかなり解けたっぽい。

情報処理技術者試験を主催しているIPAのサイトを見たら、すでに模範解答が出てますね。(スペシャリスト系は午前 I,午前 II までですが) 答え合わせをしてみたところ、午前 I は正答率 76.7%なので60%以上ということでOKです。午後 II は正答率92%でした。すごい。あてずっぽうで書いたところが結構当たっていました(笑) 午後 I 、午後 II もちゃんと必要な計算はしたし、何か書き込むべきところも一通りそれなりに埋めたのでそれぞれ6割はできているだろうと思います。ちなみに、合格発表は6/30(火)の正午だそうです。

試験そものもは良かったのですが、今日は重大なミスをしました。それは、お昼ごはんの確保です。午前 I の試験が11:30に終わり、午後 I の試験が始まる12:30の20分前には席に着いてくださいという指示。ということはお昼休みは実質40分なのですが、ES試験の会場が静岡大学の一番奥まった丘の上にあり、大学の外に出るまで歩いて片道10~15分。いつも静大で情報処理試験を受けるときにお昼を食べているお店に行ってみたら今日は臨時休業になっていて、じゃあコンビニ弁当とおもったら大学の近くのセブンイレブンがつぶれていました(ノ∀`) アチャー
どうにかパンを売っている自販機で菓子パンを一つ買ってお昼にしましたが、危うく脳にエネルギ供給できない状態で午後の試験に入るところでした。そういうことがあるので、もし次回も受験するようならお弁当を確保して試験会場に行きたいと思います。

2009年4月18日 (土)

fit-PC2は5月中旬まで待とう

先日の日記でロボットに載せるPCはfit-PC2が最有力だと書きましたが、そのせいなのかblogのアクセス解析を見ると fit-PC2というキーワードでこのblogに辿り着く方が急に増えているようです。それはさておき。

本題のfit-PC2。屋外を走行するロボットに搭載したいのでHDDではなくSDDを使いたいのですが、fit-PC2 Wikiの Price and Availability にはそういう組み合わせがありません。それならDisklessを購入して2.5インチのSSDを自分で買ってOS入れればいいやと思うと、どうもDisklessではWireless LANが使えないようです。話の出所は、fit-PC2 Users Formのハードウェアに関するこのトピックです。

Site Adminのiradsさん曰く。

The WLAN is implemented as a mini-PCI express card and is not installed in the diskless and value models to reduce costs. This is not intended for user installation but 1.1GHz with WLAN may be offered by distributors.

また、

Not intended means that we may manufacture fit-PC2 that does not incorporate WiFi functionality without the miniPCI express socket.

The specific miniPCI express you linked to is half size. We support full size.

Anyway opening fit-PC2 to install another miniPCI express card is considered hacking and will void your warranty.

とも言っています。どうも無線LANモジュールを評価中で、まだどうするのか決まってないようです。特に無線LANモジュールは日本で使うなら日本の電波法に合わせて技術適合証明をとったモジュールを使う必要があるので、「販売店(distributors)から提供されるかもね」という話なのだと思います。

そこで日本の代理店になっているイーテックに問い合わせてみたところ、fit-PC2の出荷が遅れており5月中旬になるとのこと。詳細が決まったらまた連絡をもらうということで、この話は5月の中旬くらいまで待つことにします。それでDiskless、WLAN有が駄目だというのなら fit-PC Silim Disklessにするか、fit-PC2 XPを買ってHDDをSSDに差し替えるかのどちらかをバックアップ策として確保しておきます。

2009年4月12日 (日)

休日らしい過ごし方

今日はロボットまったく関係ないグダグダ日記です。

朝は9時半過ぎくらいに起きて、ゲームしてお昼ごはん。午後は来週末の情報処理技術者試験の勉強をして、夕方にかるくジョギングして、風呂入ってビール&夕飯。非常に充実した休日の過ごし方だったと思います。お風呂には入浴剤も入れたし、明日の朝はペットボトルの回収日だったので溜まったペットボトルも出してきました。明日の朝ご飯の仕込み(といっても納豆とシラスだけど)もできているので、後は寝るだけです。が、全然眠くないので日記書いてみました。

2009年4月10日 (金)

モータドライブ回路と温度センサ

台車制御モジュールの回路設計も8割くらいできてきました。そして今日は台車制御モジュールの最重要部品であるモータドライバIC周りを回路図に描いていきました。使用するICは定番のL6203です。定常的に4Aという大電流が流せるシロモノで、ネット上を探すとかなりいろいろな作例があります。

今年度のロボットでモータを駆動するのに必要な電流を見積もると、平地で2A程度、斜度10度の坂道で4A程度の電流を流す必要があるので、L6203はヒートシンクをつけてもかなり熱くなるものと予想しています。ちなみに、L6203のサーマルシャットダウンは150℃とデータシートに書いてありました。

このモータドライバICの温度が何度なのかCPUから常に監視できるよう、今回は温度センサLM35を使用します。この温度センサは直線性が高くて使いやすのですが、温度係数が+10.0mV/℃なので、L6203がサーマルシャットダウンを起こす150℃でLM35の出力が1.5Vと小さく、CPUから見るとちょっと扱いづらい。そこで、たまたま私の手元に在庫があったオペアンプLM358を使って、150℃のときの出力が4.99Vになるよう、LM35の出力を3.33倍に増幅します。

回路図が完成したら、ハードウェア設計仕様書、部品一覧表と一緒にこのblogにアップする予定です。

2009年4月 9日 (木)

計画は何度も改定されるもの

先日このblogにUpした開発戦略のうち、開発サイクル1を4月いっぱいでできるようスケジュールを立てていましたが、もうすでに無理っぽいことが分かってきました。というのは、台車の回路設計と実装で2週間(実動16時間)程度と見積もっていたのが、すでに24時間以上費やしているのにまだ回路設計が片付かないレベルだからです。

見積もりがずれた理由を考えてみると、部品点数が意外と多いとか、新しい部品を使うのに電気CADのライブラリ登録が必要だったとか、必要になる電流の見積もりや走行速度の計算で予定していなかった時間を使ってしまったとか。

私が立てるスケジュールはいつも1週間もしないうちにずれ始めて、うまくリカバリーできなくて何度もスケジュールを見直しているような気がします。最初に計画を立てた段階では不明確なことが多いからどうしてもそうなっちゃうんですよね。だから最近は、計画(成果物、作業、スケジュール)は常に改定されるものだ、と思うようにしています。
(以前の上司は「計画は約束だ。約束を守れない計画は立てるな!」と仰ってましたが。)

今月は情報処理技術者試験があるので土日はそちらの勉強にも時間を割きたいし、平日は会社から返ってくると頭の回転数がすでに落ちているのであまり頭を使う設計作業が進みません。なので、ゴールデンウィーク中にマニュアル走行が完成するようスケジュールを見直して開発を進めていこうと思います。

2009年4月 5日 (日)

すぐやる。捨てる。To Doリスト。

直接私をご存知の方はすでに分かっていると思いますが、私は段取りが下手です。段取りが下手で私ひとりが困る分には問題無いのですが、仕事はチームで動いているので私の段取りが悪いせいでチームに迷惑をかけるというのは非常にまずい。たとえば打ち合わせをするのに場所を予約してないとか、案内を出すのが遅いとか、打ち合わせの5分前までにPCやプロジェクタをセットアップしていないとか・・・。例えば(その2)、試験に使う冶具を先輩に作ってもらってすでに受け取っていたのに、試験を実施するまでに動作を確認していなくていざ使うときになって「これ、動かないんですけど?」と言ってみたり・・・<ごめんなさいS先輩

そんな感じで周りに迷惑ばかりかけていると「使えないやつ」と言われてしまうので(学生時代は先輩からさんざん言われていたような?)、今年に入ってからいろいろと本で読んだことを実践したりして、段取り上手になるための工夫をしております。そんななかで、最初に効果を発揮したのが、「すぐやる。捨てる。ToDoリスト」の3点です。

○ すぐやる。これは言うまでもないことですね。

  • 回覧物は受け取ったら目を通してすぐに回す。
  • メールは読んだらすぐに返事を書く。
  • 電話で確認すれば済むことなら、すぐに電話する。

自宅では「飯を食ったらすぐに食器を洗う」というのを、先日自炊しているマメな先輩から聞いて私も実践するようになりました。やればすぐできるし、結構簡単。

○ 捨てる。 私はこれが苦手です。

  • 長いこと「To Doリスト」に居座っているタスクを捨てる。
  • 一定期間を過ぎた雑誌や領収書などを捨てる。
  • 専門書であっても引っ越し以来触っていない本を捨てる。
  • 書けなくなったペンや使わない雑貨を捨てる。

自宅では、着ない服を捨てるとか、古い下着や靴下を捨てるとか。本はかなり処分しましたがいつのまにかまた増えている。

○ 明日の To Doリスト

これ最強。元ネタは、「2万5千ドルのアイデア」として知られる話です。この3か月くらい、会社で仕事を終えてPCの電源を切った後、手帳を開いてその日の反省と「明日のTo Doリスト」を書くようにしています。まだ実際にはTo Doリストを全部は消化できなくて次の日に持ち越してしまうものがありますが、1日の集中力はかなり上がるようになりました。

 1日単位での生産性は多少なりとも上がるようになったので、次は1週間単位での計画(P)、実行(D)、反省(C)、改善(A)がちゃんとできるようになりたいと思っています。

2009年4月 4日 (土)

モータにヒートシンクを付けるという手もあるのか

つい先ほど書いた記事の続きみたいなもんです。

Maxon RE35モータの「30秒以内なら使える領域」は巻き線の発熱の問題なわけで、放熱さえできれば致命傷にならずに済むのかなぁと思って、RE35に合いそうなモータ用のヒートシンクを探してみました。いあ、沢山ありますね(汗) ラッキーなことに、1/10スケールのRCカーで使用されているモータ(RS-540相当)の直径が35.8~36.0mmなので、直径が35mmのRE35にぴったり合いそうです。1mmの隙間がきになるようなら、放熱シートを挿むか結束バンドで締めてしまえばよろし!

使えそうなヒートシンクとしては、”とりおん”の「よこよこ」とか。モータの上部にあまり空間がないので電動ファンなどは付けられないと思います。

探せばもっとほかのやり方もあると思いますが、時間、手間、金額などを考えると、最大登坂斜度を10°として、ヒートシンクで乗り切るのがいいのかなぁと思い始めました。

困った時は文章に起こして考える

引き続き、モータの電流計算の話です。

ロボットの重さが大体7.2kgでバッテリの電圧を7.2×3=21.6V、減速比が13:1くらいなのですが、maxon motor selection program に入れてみると、これでは最大登坂斜度が5°になってしまいます(RE35,90Wを使用)。あくまで、モータの連続使用可能領域内で使用する場合において、ですが。この5°の坂がどの程度のものかというと、電動車いすの最大登坂斜度が6°、電動セニアカーの最大登坂斜度が10°だそうですから、電動車いすに負けるわけです。いかにも悪路を走るバギーですっていう図体をしておきながら5°では恥ずかしいので、せめて15°くらいは登ってほしい。

15°を目標としてトルクが間に合うようにするために、モータの回転数にはまだ余裕があるので減速比を現在の1.8~2.5倍くらいに上げたいのですが、希望通りのギアまたはギアヘッドが見つかりません。maxonのギアヘッドで使えそうなものでは減速比が一番小さくても3.5なので、減速し過ぎてしまいます。減速し過ぎるとどうなるか。4km/hで走りたいのに、2.6km/hまでしか走行速度が上がらなくなります。バッテリを7.2V×4本直列=28.8Vにすれば、なんとか3km/hは出せるけど4km/hは出せないという状況です。 それでもいいんじゃないか、と言われればそうなんですが、バッテリは重いし、充電する手間も考えるとできれば増やしたくありません。

バッテリ電圧と減速比はそのままで、最大登坂斜度の目標値を10°にするとモータの負荷ワークポイントが次の図のようになります。
Motor_selection_diagram_3
図中の a の線はモータの最大連続トルク、bの線は電源(バッテリ)が供給可能な電流を表しています。図中の色が濃い台形部分がモータの連続使用可能領域で、黒丸(走行速度 4km/hで10°の坂を上るときの負荷)の位置は a のラインを越えてしまっています。bのラインを越えていないので、短時間であれば使用できる領域なのですが、こんなマージンの無い場所を使うというのはエンジニアリング的によろしくない。それでは短時間というのは具体的にどれくらいなのかというとマクソンの技術資料によると、巻き線熱時定数で見るんだそうです。現在私が使っているRE35シリーズの場合、データシートには巻き線熱時定数が30秒と書いてるので、30秒以内ならセーフってことなんだと思います。微妙だな。

理想的な解決策としては、マクソンにカスタムで減速比2:1くらいのギアヘッドを作ってもらうことなのですが、2:1という低い減速比が可能なのか、またコストと納期がどれくらいなのかよくわかりません。ん~。じゃあマクソンにメールで聞いてみればいいのか?

巡航速度 4km/hにおけるモータの回転数がおかしい?

今週中にハードウェアの設計を済ませるべく、必要な電流を見積もるためにモータのトルクと回転数の計算をやり直しています。トルクのほうは計算結果が大体妥当な値になったのですが、回転数の方がどうもおかしいのです。どうおかしいかというと、直観的にこれくらい、と思った値から一桁以上違います。

以下、具体的にどうやって計算したのか示します。

--------------------------------------------
走行速度 v 、車輪半径R、減速比ν(にゅー)、モータの角速度をωとすると、これらの関係は次式で表現できる。

 v = (R×ω)/ν ・・・(1)

上式をωについて解くと、

 ω= v×ν/ R ・・・(1)’

ここで、v = 4 [km/h] = (4000 / 60) [m/分] 、R=6.5[cm]=0.065[m]、ν=13 のとき、 モータの角速度ω[rad/分]は式(1)'より

 ω= (4000/60)×13 / 0.065 = 13333 [rad/分]

と求まる。さらにωを RPM で表すと、

 ω = 13333 / (2×3.14) = 2123 [RPM]

となる。
--------------------------------------------

この計算自体は間違っていないと思います。間違ってたらご指摘ください。じゃあ私の直感が間違っているのか? その直感の元になっているのは、去年モータを選定するときに使ったmaxonの motor selection program(マクソンの技術資料で公開されています)なのですが、その当時のファイルを開いてみると負荷のワークポイントが大体130RPMあたりにあるので、なんか違くねぇか?と思ったわけです。これがその図です。

Motor_selection_diagram_1

・・・とここまで書いて気づきました。

この左側の座標軸、モータの回転数じゃなくて、最終段の回転数っぽいですね(汗)
その証拠に、[Gear]と書いてあるボタンの下の□Scale motorにチェックを入れたらこうなりました。

Motor_selection_diagram_2

これで、左側座標軸がモータの回転数になったような気がします。ワークポイント(黒丸の部分)の回転数が2000RPMくらいにきていて、ちょうど計算結果とあっています。

ああ、マヌケだ。

つくばチャレンジ2009参加者登録開始

MLに参加している人はすでに知っていると思いますが、つくばチャレンジ2009の参加者登録が始まりました。そして、私も早速エントリーしました。受付番号はNo.002でした。これって、今後ゼッケンとかに使うんですよね?

参加登録の返信に、現地合同説明会及び要綱の説明会の案内、今後の試走会のスケジュールが書かれていました。試走会は全部で9回予定されています。じゃあ、これに合わせて今期の年休取得予定を立てようかなぁ。と思いつつ、三島からつくばまでは3時間くらいかかるので、試走会に参加する回数を絞り込まないとちょっときついかなぁと思っています。(高速代が2年間限定で安くなっているのは助かります。)

当面の目標としては、最初の試走会(8/1)にはマニュアル走行、センサログ記録、自己位置推定までは盛り込んでデータ取りしてきたいと思っています。

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