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独立電源の実験#3 動作テスト

ガーデンプローブ  秋は深まり、日に日に昼が短くなっていく。 ひまわり8号リアルタイムウェブをサブモニタに映し、自動更新で地球の変化を眺めながら作業している。  静止軌道から眺めていると実感するが、電力収支を維持する上で、地上での太陽光発電は宇宙空間よりも不安定だ。  秋分を過ぎ、もうじき冬至に向かってまた地球の影が傾いていく様子が見えるだろう。 地軸の傾きと気象により地上の日射量は大幅に変動し、 昼と夜のサイクルは12時間前後と長い。  今年は曇ってばかりだった・・・。  地上での平均的な発電量は、地球の公転軌道上の1割ちょっとまで落ちてしまう。  もうちょっと太陽系視点で見てみると、太陽定数が1割ちょっとまで落ちるというのは、火星以遠の小惑星帯の公転軌道まで遠ざかるのと同じだ。  さて、デジタルサボテンこと独立電源システムもある程度インターフェースが生えそろってきた。 近距離のハウスキーピングデータとコマンドの送受信のために、TWE-Liteを内蔵し、GPS、長距離ビーコン用とあわせて、3種類のアンテナが搭載されている。 単3電池駆動タイプも用意  地上で連続して安定稼働させる場合、1日分の充電で数日間稼働できる要求仕様がベースラインになる。 その観点からしたら、このサイズでは高負荷のタスクは昼間だけという中途半端な位置付けになる。  試験機としては、蓄電系が小さくシンプルなほうがやりやすい。  ソフトウェアによる電力管理の試運転で、2日ほど透明な保存容器に入れて密封し、窓の外に放置してみた。 太陽電池は300mW出力のものを1枚だけ取り付けている。 下記のグラフは受信したデータから電圧履歴と動作モード遷移を抜き出したもの。  天候は1日目の昼間は曇り。 夜は雨だった。 二日目の昼は快晴。 建物の北西側に設置しているため、午後までは直射日光が当たらない。  小容量のほうは日照状態で電圧がかなり左右される。 副作用として2つのキャパシタ間の電圧比較だけで太陽光発電中かどうか判断できる。  動作モードは4つ用意した。 大容量キャパシタの充放電系統切り離し、小容量キャパシタ駆...

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...

簡易アンテナ経緯台

Arduino制御予定の簡易経緯台。 アガチス円板と基板スペーサを構造として、2つのサーボを使用。 水平軸サーボは連続回転可能なように改造している。 (ハムフェアで展示していました。 興味を持ってくれた方はありがとうございました) <製作> 500円アンテナを取り付けて衛星追尾できる簡易経緯台・・・ということでつくってみたのだが、他にもカメラをつけてパノラマ撮影したり、レーダーモジュールの架台として遊べそう。  < 細かいところ > 特に水平角は向いてる方向を知りたいので、GPSモジュールを付けてみた。 LS20126は2D電子コンパス内蔵なので、HDGフォーマットで方位の数値が1sごとに取得できる。 自局の位置情報も取れるので、TLEをぶち込めば衛星が追尾できるはず。アプリケーションとしてぴったりだ。 仰角サーボのトルクはもうちょっと欲しい。 八木アンテナのような長いものをつけると、重さの配分でお辞儀してしまう。 カウンターウエイトを付けてバランスをとっても、あまり早く動かすと慣性でやはりお辞儀する。 逆に、それだけ挟まれて怪我したりする可能性は低い。 ホントはお辞儀する可能性も考慮にいれて、加速度センサを仰角に搭載して傾き検出をしたい。実はLS20126にも加速度センサは搭載されているけど、コンパスが2Dなので水平にするほか無い。(土台の水平検知は可能) 1Hzの加速度センサ(^^;)の使い道はここらへんなのかもしれない。 < 妄想 > 十分に小型化すれば、衛星と地上局の間の機能差はほとんど無くなる。どちらも無線通信機の一端であるので、CubeSat程度なら地上局の衛星化ができるはずだ。 個人的には衛星を2基造って、片方を軌道に打ち上げて、片割れを地上に置いて相互に通信するくらいの汎用化ができたら面白いと思う。 衛星もネットも非対称サービスとして発展してきているので、これはまだSFだけれど。 (小型)衛星にとって地上局は衛星を情報とネットの海に繋げる道具である、と言えるくらい進歩したらおもしろい。

AR八木アンテナ

手持ちの八木アンテナによる衛星追尾をしてみると、見えない衛星の導入を簡単にしてみたくなる。 …と思ったので思いついたのは、スマートフォンを八木アンテナに取り付け、ガイドさせるというもの。最近流行りのARだ。 昨今のスマートフォンは計算性能含めて立派なコンピュータと言えるが、センサを搭載したり、手のひらサイズだったりすることで、より人と環境にフレンドリーなデバイスに進化した。 今までの歴史に登場した様々な端末でも軌道計算は可能だが、iOSやAndroidでは加えて以下のセンサを使うことができる。 現在地→GPS 方位角→電子コンパス 仰角(姿勢)→加速度センサ これらの連携により、計算機は軌道計算を観測者の現在地、方向を含めて算出することができる。  Androidには既に、「GoogleSkyMap」のような角度+コンパス+GPS座標を使ったAR天体ビューワーソフトが存在するし、すでにToriSatのようなISSビューワが親しまれている。  今回は任意の衛星を導入したいので、TLEを入力できる汎用なものが必要になりそうだ。 TLEとは地球軌道上の衛星の軌道要素のフォーマットで、軍事以外の宇宙機はすべて登録されている。 PCの軌道表示ソフト「Orbitron」のようなソフトは無いだろうか。 ・・・で、たまたまAndroidマーケットで検索したところ、まさに上記のことができるアプリを発見。作る人はいるものだ。 「DroidSat」  GoogleSkymapのようなAR感で、TLEデータをダウンロードして座標とともに表示してくれる。 今のところ、目的の衛星の現在地を眺める以外はほとんど機能が無いので、改良に期待するか、同じようなアプリを自作するべきなのかもしれない。 手持ちの端末がAndroid1.6止まりなので、他にもよさそうなアプリがありそうな気はする。 試作 6素子の500円アンテナにAndroid端末(HT-03A/HTC magic)を取り付けてみた。 うーん、それにしても見た目が・・・  せっかく追尾するからには、もうちょっとアンテナ自体の指向性を増したい。6素子だと16方位の指示くらいでもよさそうな気がする。  結果としては、かなりよかった。 ...

GPSでロボットのお散歩

河川敷公園でSpinnerではじめてGPS誘導をしてみた。 頼ってる情報はまだGPSだけだが、はじめての外部操作無しの走行となる。といっても誘導ソフトウェアは借り物をカスタマイズしたので、いずれは自分で書かないと…。 試験走行1回目の結果 進路変更操作の履歴。 OpenLog(SDロガー)に制御点しか記録していなかったため、走行進路操作された時点のみのプロットしか残らなかった。そのため軌跡がカクカクしている。(次はNMEAセンテンスも記録しよう…) XBee経由でGPSの生データもテレメトリしていたのだが、途中でやってきた熱心なおじさん相手にアウトリーチしていたところ、Spinnerが圏外に出てしまってログが途切れてしまった。 話してる最中にゴールポイントにたどり着いて停止するSpinner。とりあえずプレゼンは成功に終わった。 ソフトウェアの調整がまだなので、航跡が何故かカクカクしてしまった。 カーブで曲がり過ぎているようだ。 スタートは意図的に別の方角へ向けていたが、途中で曲がり過ぎてしまい、進路が外側に張り出している様子が解る。 今は単純にGPS座標から計算しているため、自分の進む方向を知るために少し走る必要がある。もともと時速5キロ以上のマシンで使われているアルゴリズムなので、時速1キロでは差分の精度が出なかったようだ。 取得回数を調整したり、方位センサを組み合わせれば、進路の決定精度は上がる。 我に帰ってまわりを見渡すと、犬を遊ばせる人たちや散歩する家族が平和な夕暮れを謳歌している。 車輪型ロボットを遊ばせる飼い主が混じっている以外は何もおかしくはない。 ・・・ノートPC片手に歩き回るのはどうしても浮いてしまうので避けたい。(でも便利) 改良点としては、脱ノート化ということで、ゴール地点に置いてボタン一つで座標を記録、スタートしたらそこへ辿りつくというシンプルなUIにしたい。 あるいは、座標まで行ってカメラで写真をとって帰ってくる、とか。 DIYdroneの地上版である。    ところどころ荒れた芝生だったけど走行にはほとんど影響なし そしてきれいな夕暮れであった・・・

ローバー基板の配線

 配線が終わり、基本的な機能の確認まで完了。 ブロック図 ソケット方式  各基板間をピンヘッダとソケットでつなぐ拡張基板方式にしたので、配線作業が楽になったのと、 それぞれの基盤ごとに取り外しできるようになった。 8個のネジを外すだけでバラバラになる。 基板上の配線は主にUEW(ポリウレタン線)を使用。買ってきたものがちょっと細めので、デザインナイフですぐ切れるので便利だが、こんどは細すぎて目の焦点が合わせづらくなるデメリットが。そうでなくても振動してしまうとインビジブル。 カメラ基板。 LS-Y201と電力制御用Nch-FET FETは秋月で入手した FDS5680 ぎっしり。 電池は下部空間に収める形。 簡単のために制御側は6V程度の乾電池/ニッケル水素を使い、モーター電源にはリチウムイオン充電池を1セル割り当てた。なんだかアンバランスな構成 カメラ映像の取得 Live!  LS-Y201はビデオ出力があるので、カメラの電源を入れたら普通にアナログ映像として取り出すことができる。 (ただしPALなので注意) 有線ではあるが映像付きの操縦が可能になった。 もちろんJPEGカメラとして、マイコン側から画像データを取得することもできる。 あとは見た目だけかな・・・?

実験用ローバー / Prototype rover

宇宙機器の開発では試作モデル(BBM)、次に電気モデル(EM)、飛行(搭載)モデル(FM)という順に開発段階が設定されている。 Spinnerシリーズもその手順を踏んで開発してきた。 まずはネタで、次に改良して設計に反映して… 糸巻き戦車型のSpinnerOne、オーソドックスな二輪のSpinnerTwo ときています。 先日作ったFET式ドライバはもともと2輪タイプでの採用を前提にしていたが、これもSpinnerOneに反映することで改良に繋がっている。ふたつのタイプの技術を融通しつつ、作業を進めている印象。 ただ、Spinnerの車体についても組み立ての自由度をもう一歩上げたいという欲求もあり、ローバーシステムのラピッドプロトタイピング化を狙い、規格化されたパーツからなる部品だけで組まれたローコストな車体を新たに作ってみました。  構成部品は基板、スペーサ、ネジ、モーター、L型金具。それだけ。 基板は秋月の 片面ガラスユニバーサル基板  140x40mm モーターはいつものダイセン工業の ロボサイトギヤモータ ギア比は落ち着いた制御を考えるなら100:1がよさそう。 使いたい部品と入手レベルに併せて、形状にはたくさんの解があるけれど、 今回はモーターの軸を基板で囲むというイメージです。 実装一例。 XBee,GPS,Arduino,キャラクタ液晶、ハイブリッドFETドライバ。 慣れると配線作業だけなので、1日で組むことができた。 黒いスペーサーの下に取り付けたのがL字金具。 写真では上面の基板を横に固定して配線のデバッグをしたりしている。 車輪一例 (某社に怒られそうな見た目) L型金具を付けることで、側面にも基板を取り付けることが可能。単純な内部構造の保護や、センサテスト用の拡張基板として使用可能。 基板はある程度剛性もあり、素材としては重くなるけど、ユニバーサル基板は穴が既に開いているようなものなので、ドリルでの穴あけはアルミ板より楽。 車輪一例 SpinnerTwoの車輪。モーターがギア比1:30。室内のつるつるした床では空転してしまうので速度を抑えなければならなかった。荒地仕様ですね。 センサを載せる(イメージ)。 PS...

スマートフォンにおけるGPS機能

GoogleMap、ふたつのOS(iOS,Android)、A-GPSの3つが組み合わさることで急速に統合されたモバイルGPS業界。 どちらかというとWindowsCE時代のスタンドアロンなGPS機能に慣れ親しんできたので、最近のトレンドを若干誤解していたのだが、スマートフォンのGPS機能はネットワーク依存の比重がとても大きい。 ネットワーク以前の情報端末におけるGPSはスタンドアロンなナビゲーションだった。高価な地図データをカードにおさめて、高感度を売りにするSiRFなどの専用SoCをつかう図式である。Garmin社の専用GPS端末やカーナビと同じ図式だ。 対して携帯電話は早くからA-GPSを搭載した。A-GPSにおいて、端末は衛星から時刻情報だけ入手し、基地局から位置情報を提供してもらう。 基地局を頼ることで、測位までの時間の短縮、GPSの苦手な都市部での測位を実現した。 地図はもちろんサーバーからサービスとして入手する。オンラインであることが前提だ。 なのでA-GPSは携帯の機能を提供するベースバンドチップにも早々と組み込まれている。 (もちろんほとんどの機種では単独測位が可能) そしてスマートフォンはケータイと同じく通信インフラが前提にある。調べたところでは、Andoroid端末のほとんどがベースバンドチップのGPS機能を利用しており、iPhoneや一部のAndroid端末のみがBroadComなどの専用チップを利用している。Appleも専用SoCにこだわりがあるわけではないようで、CDMA版iPhoneでは統合機能を利用している。 意外にもかつては主流だったSiRF系の専用チップを組み込んだ端末は全く見当たらない。ハイエンドなGPS端末で有名なGarmin社が手がけたAndroid端末は売上げで苦戦しているらしい。 つまり、かつてのPDAと携帯を融合させたスマートフォンは、ネットワーククライアントへ変化すると共に、位置情報もネットワーク利用を前提にしたということだ。逆にPDA時代のGPSソリューションは、カーナビ端末として専門化され現在に至っている。OSが遮蔽されているから誰も気にしないけれど。(なので、WindowsCEの隠れシェアはかなりあったり?) 以前みちびきに対応したGPSチップを載せた端末が出回ってい...

みちびき(QZSS)対応のGPSチップはすでに普及している?

日本のGPS補強衛星「みちびき」が移動体で3センチという高精度測位を実現したというニュースが出てしばらくたった。 ロボット的な応用分野としては気になるみちびきへ対応したGPS受信機の出現と、高精度測位が一般に普及する日はいつ来るのだろう。 (追記 一般的な利用では誤差1.5m程度とのこと。ただし、天頂付近という高仰角にGPS衛星がひとつ増えるということは、都市部で測位精度が向上するということなのでメリットは多い)  実はすでに「対応したGPS受信機」を搭載した製品は出荷されている。 たとえばドコモの展開する「Galaxy S」、「Galaxy Tab」は、Bloadcom社がQZSSへの対応を表明したGPS受信LSI「BCM4751」を搭載していた。( 分解記事 ) といっても、みちびきを受信できたという記事やレポートはまだあまり見当たらない。  GPS衛星は搭載された高精度な原子時計を基準として、地上に自らの軌道情報と時刻を放送している電波灯台だ。 モバイル端末が搭載するGPS受信機は、受信して得られたGPS衛星群の時刻と軌道情報を元に、受信した端末の座標を計算し、緯度、経度、高度を出力する。計算に使える衛星の数が多いほど、精度が上がっていく。  現在のGPS受信機は小型化が進み、GPS信号の増幅、復調、計算までワンチップでこなすようになった。モジュールやICも様々な会社が生産している。 GPS衛星は一つ一つが識別コードを持ち、受信機はそれを解読する。  従来のGPSモジュールでは、みちびきに割り当てられた新しい識別コードを取得する設定が無いため、そのままでは情報を使うことが出来ない。  同様に独自GPS(欧州のガリレオ、露のGLONASSなど)も、利用するにはそれぞれのデータ形式や、周波数に対応したアンテナ、ハードウェアが必要となる。 端末も、GPSモジュールの生成した計算済みのデータ(NMEAフォーマットなど)を受け取るだけなので、端末側が頑張っても、GPSモジュールが対応しないと受け取ることができない。 モジュール自体の設定やファームウェアを書き換える必要があるが、これは普通GPSモジュールが出荷される前に書き込まれるものなので、専用GPS端末でないと、既に出荷された機器で対応することは無いだろう。 ...

手抜きGPSロガー

 ものすごく手抜きなGPSロガー なんとコードすら書いてません。  中身はGPSユニット、OpenLog、リチウムイオン充電池。たったこれだけ。  OpenLogはMicroSDを使ったシリアルSDレコーダーで、最新ファームだと最大115.2kbpsの速度をそのまま記録可能だとか。  マイコンからファイル操作も可能で、とても便利。デフォルトの9600bpsであれば何もしなくてもとりあえず記録できてしまう。(ボーレート設定等はSDカードに生成されるtxtファイルで行う) これにLS20126を接続し、リチウムイオン充電池で駆動する。 多分ぜんぶで50mA以下だから1000mAhの容量ならまる一日は動作しつづけるだろう。   記録精度は問題なし。 これで磁気センサ値が反映できるよう、自転車に取り付けたりできるといいかも。 ・スイッチすら省いたけど、逆接続による故障防止のため、電源ラインにダイオードを入れた。 ・LS20126にはバックアップ電池が無いので、用意しない限り毎回コールドスタート。 ただ衛星捕捉は早め。 OpenLog Sparkfun  http://www.sparkfun.com/products/9530   OpenLog HOME  https://github.com/nseidle/OpenLog/wiki LS20126  http://www.sparkfun.com/products/9838 Polymer Lithium Ion Battery - 900mAh   http://www.sparkfun.com/products/341

糸巻き戦車型ローバー紹介動画

新型車体による紹介動画。 撮影中に猫が乱入して動画の方向性が乱れたものの、好評そうでなによりです。 生物を模倣したつもりはなくても、機能性の追求がRollyみたいな生物感をもたらすことは分かっていたので、某動画サイトで"かわいい"というコメントが付いていたのが印象的でした。 しかし、これの元ネタはむしろパンジャンドラムに近かったということは、言っても信じてもらえないだろうな… そう、巨大Rollyを自作しようというネタから全ては始まったのです。  <おまけ> 公園の猫との戯れ

[Spinner]糸車戦車型ロボット その2

開発を続けている糸車戦車型ローバーの新車体フレームにひと通りのシステムno 組み込みが終わった。 中身は生まれ変わったが、外見はすっぽり覆う車輪がほとんどを占めているため、あまり変化してない。 (中身の)外観 試作機 の 反省 から、シャーシ設計から一貫して保守点検を考慮に入れた。 アルミ円盤をジュラコンスペーサーで連ねた構造となっている。 部品固定はテープ等の使い捨て素材をできるだけ省いた。(XBee,GPS除く) ちゃんと作るとかなり製作も楽になることを実感した。 世間ではモジュール化といいますね。 車輪外の露出部。アクリル円盤のカバーを外したところ。 シャーシの延長で、アクリル円盤に車体外のアーム、アクセスポート、スイッチ等を配置。 このへんの思想は試作機から受け継いだ。 プログラミングポート(DSUB)はかねてより構想していたXBeeによるArduinoのワイヤレスプログラミングが実現したので、今は卓上のセンサ開発時向けの装備になってしまった。 走行時に付けないとモーターとサーボが駆動しないフライトピンは健在。 ポート周辺パーツ ガイドローラー ガイドローラーは3方向から車輪を支える。 前よりなめらかに回転。 駆動系 駆動系はドライバを後進に対応させた以外はそのまま。専用バッテリとタミヤの遊星ギヤ、機械式リレーのミニ四駆状態。 いつかマクソンモータに変わったら、ドライバICにするんだ・・・   電池はエナジャイザー。大きな家電店で普通に売ってる最強のリチウム一次電池です。 スタビライザ (=しっぽ) これも変化無し。 ただし持ち歩き用に取り外し可能。 外観 システム諸元 MCU: Ardupilot MEGA  Communication: XBee Pro(JP) Sensor: GPS  Motor: TAMIYA PlanetaryGear Set Servo: GWS 2BBMG Battery: System: Li-Po 3.7v 900mA             Motor: ...