倒立振子 さらなる小型化構想 |
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2015年 08月 29日
前作の反省点は基板を分けるとその間のケーブルの取り回しが面倒なのと、ケーブルが意外に場所をとるということです。基板一枚のほうが有利です。 マイコンははキットを使わずに単体部品で構成します、この方が高さ方向を稼げます。 もっとも場所をとる電池の場所ですが、前作を眺めてみるとDCモーター周りに大きなスペースがありますので、ここに格納してみることにします。 その他の部品構成は前作同様ということで部品の配置を構想してみます。 この際に活躍するのが三次元CADです。色々と試してみましたが今はDesignSparkというフリーソフトを使っています。直感的に使えるのと電子部品のライブラリーが豊富なので最近はこれを使っています。 出来上がった構想図です。うまく納まっています。 (左図:前作 右図:今回の構想) 横幅は前作と同じですが、高さ方向が大幅に削減されています。 (2015年8月)
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by kookymaverick
| 2015-08-29 21:38
| 倒立振子
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2015年 08月 22日
完全な倒立状態を実現すべくチューニングを続けています。調整個所はPID制御の常数Kp,Ki,Kdと角度オフセット、左右のモーターオフセットです。以前に製作した3号機とはPID関係の常数がずいぶん異なる。半日ほどの調整で倒立状態はほぼ保てるようになりました。
この状態で、走行させてみることにします。結果は、こちらも3号機の走行プログラムでは前後進がうまくいきません。旋回は機体重心の移動が少ない状態ですから、どんな機体でもそれなりに上手く旋回してくれますが、前後進は大きく重心移動を行いますので一筋縄ではいきません。一応この状態での動画を掲載しておきますが、しばらくは悩まなければならないかも知れません。3号機の時は前後進のプログラム完成に一か月以上かかってしまいました。 動画ではなんとか動いていますが3号機と同じ前後進プログラムでは非常にトリッキーな動きをします。なにしろ3号機に比べて重量は10分の1ですからもう少し試行錯誤が必要です。まあ、これはこれで動きとしては面白いのですが。 (2015年8月) ■
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by kookymaverick
| 2015-08-22 15:39
| 倒立振子
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2015年 08月 13日
前作ではミニサイズのクローラロボットを完成しましたが、今度は出来得る限り小型の倒立振子を作ってみようと思います。ネット上でミニサイズの倒立振子を探してみましたが、手のひらサイズのものはなかなか見つかりません。ということは、もし完成すればそれなりの満足度が得られるということです。意欲がでてきました。
さて、手のひらサイズというからには横幅80㎜から大きくても100㎜以内には収めたいです。小型にしてもずっしりと重いというのでは興ざめですから重量は150g以内というところが目標です。 問題はモーター選びです。そこそこトルクがありそうで小型のものでは前作で使った9gサーボを連続回転にする方法でも使えそうですが、こちらは回転速度の微妙な調整がかなり難しく候補からは外れます。ステッピングモーターには小型で全長の短いものがありそうなのですが、胴回りが大きいので小型化には向きません。結局、減速機付きのDCモーターの中から選定してみることに。ネットを検索するとありました、AliExpressに6V駆動で200rpmという小型のものを見つけました。回転数もトルクもなんとか使えそうです。シャフトを除いた全長24㎜ですから車輪をつけても片側50㎜以内で収まりそうです。早速2個を注文、2個で送料込で8ドル弱でした。 つぎに、車輪選びです。こちらはタミヤのスリムタイヤセットを選択しました。車輪径が36㎜と55㎜の二種類あります。シャフト径は六角3㎜に対応しているので、モータのシャフト径が3㎜ですので追加工すれば接続出来そうです。 センター出しが肝心ですので慎重に工作します。J3という部品の六角穴側からM3タップをねじ込んでいきます、六角穴がガイドになってセンターが出し易くなります。 (先端が膨らんできています) 反対側に貫通したところで、今度はそのセンター孔を利用して3㎜径のドリルで孔を加工します、これで正確に3㎜孔を追加工できました。出来上がった孔にモーターシャフトを差し込んで完成です。 駆動系に目途がついたので三次元CADで構想図を作成していきます。機体幅100㎜でなんとか収まりそうです。 モータを取り付けるベースプレートをCAD図面をもとにアクリル板で製作します。モーターは強力両面テープで接着しました。頼りなげですが、なんとか使えそうです。 全体の回路図です。注意点はUSBとの接続ポートのRESETとマイコンの1番ポートの間に0.1μのコンデンサを追加しないとプログラムを読み込みできなかった。理由はよく解りません。今回の回路特有の問題かもしれません。 完成した機体です。機体幅100㎜、重量134gでまとまりました。 プログラムは3号機のものを流用していますが、各定数は機体に合わせて調整が必要です。まだだチューニングが必要ですが、なんとか倒立姿勢は保てるようになってきました。その模様を動画にしてみました。 さて、後は細かなチューニングとリモコン操作の完成が必要ですが、ほぼ思いどおりのサイズで倒立振子を製作出来る目途ができました。さらなる小型軽量化の改良ポイントととしては、3.7V電池1本で電圧を昇圧してやっても駆動できそうな感じです。そうすれば基板一枚に集約することも可能性がでてきました。 (2015年8月) ■
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by kookymaverick
| 2015-08-13 08:57
| 倒立振子
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2015年 06月 26日
前報で液晶画面を追加したジョイスティックコントローラをケースに組み込みました。 ケースはダイソーで見つけたクリップが入っていたケースがサイズがぴったりでした。ケースに困ればダイソーに行けばなにかしら見つけることができます。しかも中身はそれなりに活用できてまことにお得です。 さて、ケースの加工は薄いプラスチックですのでなんなく完成。ちょっとした配線と電源スイッチとリセットボタンがないと不便なのでこれらを追加して完成しました。 画面にあるプッシュボタン2個はいまのところ使いみちがなくただの飾りです。 それにしても最近はaitendoさんにお世話になりっぱなしである。品質も問題なく、送料も他のパーツ屋に比べると安いし、何と言っても他では見られないようなユニークなパーツがある。最近は選別の際の第一順位になっている。 (2015年6月)
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by kookymaverick
| 2015-06-26 13:47
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2015年 06月 26日
一応の完成を見た3号機であるが、追加、変更の末に写真のように基板はゴチャゴチャの様相で、元技術者としてはこのままでは見っとも無いので、この際、arduinoはマイコンと最小の部品だけとして他の部品とともに一枚のユニバーサル基板に統合することにした。 便利なarduino基板ではあるが、機能を倒立振子専用にするとなれば余分な部品がスペースをとり過ぎている。それに最小構成にすれば消費電力とか制御時間とかなにか余分なご利益があるかもしれない。 とうことで、まずはarduinoの贅肉をそぎ落とすことになるが、aitendoからタイミングよく「あちゃんでいいの」というキットが発売されているので、これを使うことにした、マイコン周りの細かな配線がかなり節約できるし、構想通りの最小構成になっている。マイコンとスケッチ書き込み用のUSB-シリアル変換基板(これは今後使い回しできる)を含めて1040円也である。今後のこともあるので3セットをゲット。 電源周りは用意しなければならないので、マイコン用の5Vと無線モジュール用の3.3Vを作成することにする。元電源はニッケル水素電池単三4本の4.8Vなので。DC-DCコンバーターが必要になる。秋月電子からMUシリーズというコンバーターを入手。始めての部品でもあるので、ブレッドボード上に試作回路を組んで実験してみた。 まずは5V仕様のMU102からである、図のような回路を組んで負荷用に1Kの抵抗を加えて電圧を測定してみる。5.97Vを示している、3V仕様のMU101のほうは200Ω負荷にて3.97Vになっている。少し高目ではあるがひとまずこの辺りで良さそうである。 回路の元電源MVにモーターを接続してONOFFを繰り返して二次側の電圧変動を観測してみる、こうなるとオシロが必要になるが本格的なものはとても高価で手が出ないのでarduinoを利用してPC上で疑似的に波形を読み取ることにした。この辺りはまた次回に掲載します。 ともかく波形を観測すると二次側のコンデンサーの容量でかなり様子が違ってくる。 10μと100μを試してみたが、10μではかなり一次側の変動の影響を受ける、100μで本番は進めることに決定。 (2015年6月) ■
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by kookymaverick
| 2015-06-26 13:27
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2015年 06月 07日
6月5日掲載の記事にて紹介したジョイスティックとnRF24L01なる無線モジュールを3号機に搭載し、プログラムを組みなおして運転してみました。 「角度オフセットの調整を頻繁にするので、ポテンショを追加して機体側で出来るように改造」 「エンコーダーの信号は配線(右上のコネクタ)はしてあるが今のところは未使用、使う必要もないようである」 プログラムはinstaBots社のものを参考にしながら、同社ではMirfにて制御しているが、より高機能なRF24を使っています。参考になったのは前後進の個所ですが、同社の設定ではこの3号機ではあまりにも速度変更幅が大きいので20分の1程度に縮小するぐらいがちょうど良いようです。 当初はジョイスティックシールドにある7個のスイッチを活用してみようかとも思いましたが、結局使いみちもなく今回はただの飾りです。 nRF24L1ですが、やはり電源周りが不安定でたまに制御不能に陥ります。パスコン追加してみましたが効果なし。多分、単三4本の合計4.8Vですべてをまかなうのはもともと無理があるようです。 ともかく、試運転です。これまでの赤外線リモコンでは味わえないようなスムースな運転が面白いです。 (2015年6月) ■
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by kookymaverick
| 2015-06-07 15:32
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2015年 05月 10日
4号機の電源回路を少し改造してみました。Arduino用に専用電源006P を使っていたのですが、バランスが悪いのでDC-DCコンバーターを使って単三電池4本から昇圧して使うようにしてみました。
コンバーターはNFJというところで380円で販売されているものです。YAHOOショッピングで購入できます。安いですが性能は非常に優れています。4A取り出すことができます。 改造結果は良好です。バランスが良くなったうえに、重量が軽くなったせいで倒立安定性、赤外線リモコンでの操縦もやり易くなったようです。 何人かの方からご要望のあった回路図を参考までに公開します。 ■
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by kookymaverick
| 2015-05-10 21:40
| 倒立振子
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2015年 05月 04日
前回までで倒立するところまでは完成しましたので、つづいて赤外線リモコンで遠隔操作への挑戦です。赤外線リモコンのスケッチはネット上に沢山公開されているので、これらを参考にしながら手持ちのリモコン端末用にスケッチを作ります。ここまでは比較的簡単な作業です。 次に、このリモコンを使って機体を前後進、左右旋回をさせようということで、スケッチのなかで倒立させるためのモーターへの出力値に右旋回の場合は左車輪に出力値をプラス、右車輪にはマイナスすれば、その場旋回するはずです。左旋回の場合はその逆です。旋回をやめる場合は与えた余分な出力値をゼロにすればということです。 早速、スケッチをそのように変更して、運転してみます。問題なく旋回します。これは簡単だなと思ったのはつかのま、前後進は同じ要領で前進の場合は両車輪にプラス、後進はマイナスということで試してみましたが、機体は一瞬その動きを見せるもののすぐにもとの倒立状態でその場で停止します。よくよく考えれば当たり前で、もともと外乱が加わっても倒立状態になるようにプログラムされているから外乱が加わって一瞬動こうとしてももとに戻るわけです。 さてどうしたものか、ここからが試行錯誤の連続になりました。ネット上に沢山ある例では単純に出力値の増減で前後進しているものが大半で、どうもこの機体の参考にはならないようです。試行錯誤もすでに一週間を過ぎた頃に、増減する出力値を一度に与えずに徐々に増減させてみてはということで、そのようにプログラムしてみると、不思議なことに前後進するようになってきました。 これが、その動画です。 リモコン操作で狭い机上を前後進、左右旋回できるようになりました。一応これで目的は果たしましたが、まだ問題があります。広い場所で動かしてみるとしばらく前後進すると加速がついて制御が追い付かず転倒してしまいあす。速度フィードバックはとれないので解決方法はないかと思います。倒立し易いようにと重量のあるバッテリーを一番上に持ってきたのが災いしたようです。走り出すと慣性力でどんどん加速してしまいす。 そういう視点であらためて参考にしたINSTABOT製の機体をみると、やはりバッテリーは下部に置かれています。ということで、機体の大改造をやらねばならないかと思案中です。 ■
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by kookymaverick
| 2015-05-04 12:19
| 倒立振子
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