スキップしてメイン コンテンツに移動

SpinnerX



今まで1輪ローバー、2輪ローバーと製作してきた中で、個々の要素技術を煮詰めてきた。その結果たどりついたのが単車輪による自由旋回技術である。
この車体を説明する上で欠かせない2つの要素が、
  • 車輪だけではなく本体ごと回転すること
  • 左右の車輪径を変化させることで旋回すること
となる。

本体ごと回るということ
 1輪の糸巻き戦車型ローバーは車輪を回すという概念で製作していた。結果として全車輪(車輪が本体を覆う形)になった。内部の車体は走行中もスタビライザ(外に飛び出した棒。回転の反動を支える)と一緒に地面との角度を保っている。ハムスターが回し車を回すようなイメージだ。

この方式の欠点は、車輪が外側のほとんどを覆ってしまうがために、センサや外部アクチュエータを積みにくいこと。
本体が車輪と一緒に回転すれば、センサの露出や接地面の情報取得が容易になる。
しかし、方向制御については全車輪で使えた外部の腕がそのままでは使えない。
そのためSpinnerOne製作時には検討のみで終わった。

車輪径を変化させる方向制御
 SpinnerOneは1輪なのに両端に車輪高のピークを持ってきている。障害物を乗り越える際の安定性向上の意図がある。

この左右の接地面だが、片方の高さが数mm違うだけでも直進性に影響が出る。
正確には重量配分、スタビライザの地面抵抗なども絡んでくるので、まっすぐ進むのはなかなか難しい。
1輪で旋回するための方法を考えていたとき、同時に出てきたのが、左右の高さを能動的に調節することで回転するというもの。
左右の車輪の大きさが違ったら、その場で半径の小さい車輪側にカーブする。
問題はどう変化させるかということだが、簡単に思いつくのは飛び出すような機構を取り付けることである。しかし複雑過ぎたりして現実的ではない。車輪が独立している場合は、複雑な機構を装備できないのがそもそも問題であった。

SpinnerX
上記問題を解決できそうなのがこのSpinnerXとなる。
まず本体が回転する。地面に対し静止しているのはスタビライザだけである。モーターはスタビライザを回す形で付いている。
次に車輪径の制御だが、ここでは脚と呼ぶ4本のシーソー構造がそれである。
脚は対角線上の2つ一組で、サーボによって制御される。 X字なので2個のサーボが内蔵されている。
脚の一組はハの字に左右へ倒れることが出来る。 二組とも片方に倒せば、左右の車輪径が変化した形態となり、倒した側にカーブする。 これは反対側も同様である。 腕なしで左右に自由な調整が出来る。

脚の倒す方向を互い違いにしてみよう。

今度は左右の端から見ると、二本の脚だけが飛び出した形になる。
これは障害物を乗り越える形態だ。通常走行時と比べグリップ力が増す。地面に合わせて互い違いにする角度を調節すれば、最適な走行性能を探ることもできそうだ。
可変車輪は色々例があるけど、これは割とシンプルな部類だと思う。

欠点
Xの欠点としては旋回半径が車輪半径の差に依存するため、小旋回が難しいということだろうか。
また、車輪の隙間に何かを引っ掛けてしまう可能性が高く、砂地とか岩石地帯とか、草みたいなものが生えてない場所じゃないと厳しい。

加えて腕も欲しい。この車体だと取り付けるのは厳しくなってしまうけれど…。スタビライザのカバーに内蔵するという手はあるが、複雑化を招くのは避けたいものだ

センサ系
SpinnerXでは全周にセンサを取り付けられる、開いた空間は薄膜太陽電池を貼り付けるといいかもしれない。(このサイズだと面積的にMCUの動作だけを維持する発電量にとどまるが)

脚の接地部に圧力センサ/スイッチ、
脚のフレームに曲げセンサなどを取り付けることで地面/障害物の検知が可能になる。
本体にPSD距離センサを取り付けて、4方向を向かせ、障害物と距離の検知を行うという可能性も拓ける。 距離センサ単体ではノイズや誤検知を防げないけど、脚のセンサ等の情報を加味することでフィルタリングできそうな気はする。
路面状況の把握が出来れば、脚の角度や進行方向を調整するフィードバックが可能となる。

ミッション系の構想
コンセプト図ではミッション用のスペースを分けてみた。映っているのは半球ミラーを使用した全方位カメラ。 本体ごと回転してしまうが、どんな回転角でも影響を受けない映像が撮影できる。(撮影した映像は回転速度に合わせて回転する処理が必要になりそうだ) 

本体ごと回転するので、地面観察用のマクロレンズ搭載カメラと、サンプラーバケットを側面に内蔵してサンプルリターンなども簡単に実現できそうである。

Popular posts

Arduino Nano Everyを試す

 秋月で売っていたAtmega8と、感光基板でエッチングしたArduino互換ボードを製作してみて、次に本家ボードも買って…  と気が付いたら10年が経過していた。  ハードウェア的な観点では、今は32bitMCUの低価格化、高性能化、低消費電力化が著しい。動作周波数も100MHz超えが当たり前で、30mA程度しか消費しない。  動作電圧範囲が広く、単純な8ビットMCUが不要になることはまだないだろうけど、クラシックなAVRマイコンは値上がりしており、価格競争力は無くなりつつある。 そしてコモディティ化により、公式ボードでは不可能な値付けの安価な互換ボードがたいていの需要を満たすようになってしまった。     Arduino Nano Every https://store.arduino.cc/usa/nano-every https://www.arduino.cc/en/Guide/NANOEvery  そんな中、Arduino本家がリリースした新しいNanoボードの一つ。  他のボード2種はATSAMD21(Cortex-M0+)と無線モジュールを搭載したArduino zero(生産終了済み)ベースのIoT向けボードだが、 Nano EveryはWifi Rev2と同じくAtmega4809を採用していて、安価で5V単電源な8ビットAVRボードだ。  Atmega4809はATmegaと名がついているが、アーキテクチャはXMEGAベースとなり、クラシックAVRとの間にレジスタレベルの互換性は無い。   https://blog.kemushicomputer.com/2018/08/megaavr0.html  もちろん、ArduinoとしてはArduinoAPIのみで記述されたスケッチやライブラリは普通に動作するし、Nano Every用のボードオプションとして、I/Oレジスタ操作についてはAPIでエミュレーションするコンパイルオプション(328Pモード)がある。 公式のMegaAVR0ボードはどれもブートローダーを使わず、オンボードデバッガで直接書き込みを行っている。  ボードを観察してみると、プログラマ・USBCDCとしてATSAMD21が搭載されている(中央の四角いQFNパッケージ)MCU的にはnEDBG

【サボテン】太陽電池の結線

 久しぶりにサボテン計画。 忙しかったり投薬治療直前でだるかったりして、かなり放置していた。 さぼてんも不機嫌そうだ。 せっかくなので、園芸用の水受けに移す。  関節痛で寝込んでる間に、エイプリルフール終わってましたね^^・・・。  太陽電池の展開機構を想像したが、まずは太陽電池の結線を済ませよう。  配線を綺麗にまとめたくていろいろ探していたら、千石電商でぴったりなものを見つけた。 LEDリング基板 というらしい http://www.led-paradise.com/product/629?  本来はチップLEDをリング状にまとめる代物。 イレギュラーな使い道だ。   今度は小径のを買って、GX200のリングライトに仕立て上げよう。   嬉しいことにフレーム径にジャストフィット。 配線を綺麗にまとめられた。   太陽電池の接続部。逆流防止用にショットキーダイオードを入れている。 かなりスッキリ。 蛍光灯下 500ルクスでの実験。 EDLCは10Fを使用。  ちゃんと充電が行われている。 といっても、とてもとてもゆっくりとだけれど・・・。

ATmega4809(megaAVR0)を試す

megaAVR 0という新しいAVRシリーズを試してみた。  小さいパッケージなのに、UARTが4本もあるのが気になったのがきっかけ。 登場すると噂の Arduino Uno Wifi rev2  にも採用されるらしい。  簡単にデータシートを眺めてみると、アーキテクチャはXmegaシリーズを簡素化し、動作電圧範囲を広げたもののようだ。  CPUの命令セットはAVRxtと新しくなっているが、Xmegaで拡張された一部の命令(DESやUSBで使われる命令)が削除されていて、基本的に今までのATmegaとほぼ同じだ。  コンパイラからは、先に登場した新しいtinyAVR0, tinyAVR1シリーズと共にAVR8Xと呼ばれて区別されている。  CPU周りを見てみると、割り込みレベルなど、今までのクラシックなATmegaで足りないなと思っていたものがかなり強化されていた。 ArduinoAPIを再実装するとしたら便利そうなペリフェラルもだいたい揃っている。 データシート P6  DMAは無いけれど、周辺機能にイベント駆動用の割り込みネットワークが張り巡らされているのがわかる。  できるだけCPUを介在させない使い方がいろいろ提案されているので、アプリケーションノートやマニュアルを読み込むことになる。 ピックアップした特徴 ・データメモリ空間(64kB)に統合されたFlashROMとEEPROM ・RAM 6kB ROM 最大48kB (メモリ空間制限のため) ・デバッグ専用の端子 UPDIを搭載 ・優先度付きの割り込み(NMIと2レベル) ・ピン単位の割り込み(かなり複雑になった) ・リセットコントローラ(ソフトウェアリセット用レジスタが実装され、リセット原因が何だったかもリセット後に読み出せるようになった) ・豊富な16ビットタイマ(4809では5基) ・16ビット リアルタイムカウンタ(RTC) ・豊富な非同期シリアル/同期シリアル(USART 4ch、SPI 1ch,TWI 1ch) ・内蔵クロックは最高20MHz(PLL)と32kHzの2種類。外部クロックは発振器と時計用水晶のみ ・ADCは10bit 16ch ・内蔵VREF電圧が5種類と多い(0.55V,1.1V,1.5V.2.5V.4.3V

GPSアンテナをつくる

GPSアンテナを作ってみた。 1575MHzの波長は約19cmなので、半波長で9.5cmとなる。 GHz帯とはいえ、結構長いものだなぁ。 セラミック等の誘電体がなければ、平面アンテナで真面目に半波長アンテナを作ろうとすると手のひらサイズの面積が必要になってしまう。 普通のダイポールだと指向性があるので、交差させてクロスダイポールにする。 屋外地上局のアマチュア衛星用アンテナの設計をそのまま縮小したもの。 水平パターンはややいびつ 92.2mmの真鍮の針金(Φ=0.5mmくらい)を2本用意して、42.3mmで90°に曲げる。 長さの同じ素子同士を並べて配置する。 (全長が半波長より長い素子と短い素子が交差した状態) 片方をアンテナ信号線、もう片方をGNDにつなげば完成。 実際5分くらいでつくったけれど、果たしてどうだろうか。 今回は、道具箱に眠っていた表面実装タイプのMT3339系モジュールに取り付けた。 アンテナはもともと3x1.2mm程度のとても小さいチップアンテナで、 LNAが入っているけど感度が悪かったのでお蔵入りしていた代物。 最近の携帯機器はみなアンテナに厳しい。 さて・・・ クロスダイポール版モジュールをPCでモニタしたウインドウ(左)と、QZ-Rader画面 東側に建物遮蔽があるので、そちら側の衛星はSNが悪い。 とりあえず補足できた衛星数はシミュレーションされたものとほぼおなじだった。 アンテナの角度をいろいろ振って、逆さまにしてもロストすることはなかった。 セラミックのパッチアンテナレベルにはなったかな・・・。 簡単にできてそれなりに測位するけれど、携帯性は皆無になった。 あと、近接周波数の干渉を受けやすいかもしれない。 GPSアンテナのDIY例としては、QFHアンテナもある。 ラジオゾンデなどで使われている例がある。 いつもお世話になっているQFHアンテナ計算シートのサイト https://www.jcoppens.com/ant/qfh/fotos_gps.en.php ヘリカルアンテナは加工精度の難易度が上がるので、今回はクロスダイポールにした。 GNSSとなると、複数の周波数のために調整されているセラミックパッチアンテナが有利だと思う。 セラミックパッチア