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電流検出の確認

今日は電流センサの設計をすべく予備実験を行う.

MR2基板を使い,RE40にステップ入力を与え電流値を確認する.
無負荷では動きだし35A,急停止の逆転時で75A程度で収まっているのに対し,ハーモニック減速機を取り付けると慣性が増加し逆転時に90Aぐらい入っている.

ちなみにこのモータの停動電流は75Aである.
逆転時に停動電流を越える電流が流れているのはモータ逆起電力によって端子間電圧が電源電圧を超えるため.


次にMR2基板を改造してACS714-20Aを組み込み,IR2175Sと比較する.



ACS714はホール素子を使ったセンサ,IR2175sは外付け抵抗の電圧降下を測定するセンサである.
センサ自体の性能としてはIR2175sのほうが高いが,出力が130kHz程度の周波数の高いPWM信号でマイコン側のタイマ分解能が十分高くないと厳しい。今使っているdsPICは少々能力不足のようだ.
(dsPIC4012 @80MHz(20MIPS)ではがんばってもレンジで7bit程度の分解能.)

ACS714では最大で±30Aまでしか取れないため,激しい動きをさせるとなると検出レンジが足りないがこちらはアナログ出力なので分解能は10bitまで確保できる.
なのでいったんはこれで電流フィードバックのテストをしてみようと思う.
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知ロボビデオの整理2

今日も引き続き知ロボビデオの整理を行う。

2次予選~決勝の模様:



(恣意的な編集は一切ないですが,これはまずい,消して欲しい等があれば管理人まで連絡ください。)

上位進出チームの特徴はリトライが少なく,動作が速いことだろう。
特にテクニカルではタイムトライアルのボーナス得点を獲得し100点以上を目指さないと入賞するのは難しい。

 対象物の搬送については一個ずつ運ぶタイプと内部に複数をストックするタイプがある。いずれにしても,探索→対象物の取り込み→ゴールという一連のモーションが全て成功しなければ得点には結びつかない。
ボールや缶を不用意に蹴飛ばしてしまうと,進路を妨害する障害物になってしまうため本体に対象物がからみつかないようなバリア部材を付けているロボットもたくさんいる。

 対象物探索では各チームとも工夫を凝らしている。
ベーシックな方法としては立ち止まってPSDで距離を測りながらロボットをピボット旋回させ,扇状のエリアの対象物を検出することだ。
ただし,その場旋回に時間がかかるため,対象物の多いチャレンジコースなどでは時間が足りなくなる。そこでどうするかがキーになってくるが,センサを増やす,一度探索した対象物の座標を記録する等が考えられる。
 位置取得済みの対象物がマシンや他の対象物に接触して動いてしまう可能性もあるので,対象物ゾーンで再スキャンをするかどうかも迷うところだ。
機械的にガーっとかき集めるタイプの場合は対象物の位置検出の心配がいらない。そのかわり対象物が詰まったりしやすいのでメカの完成度を十分に上げる必要がある。

 ロボットの位置決めは地面に引かれたラインをトレースするか,壁をセンサで検出する,壁に自分自身を押し当てて姿勢を修正する方法がとられている。
このような姿勢修正の時間もばかにならないが,位置がずれたまま競技を続行するとリトライになりやすいため,多少時間を犠牲にしても正確な位置あわせをしようとするチームが多い。
 たいていのマシンが車輪にエンコーダを付けてオドメトリを行っているが,これは完全ではない。
現実には床と車輪が滑ってあっという間に誤差が累積するため,ある程度走ったら必ず位置修正の動きを入れなければならない。
車輪を削りだしで高精度に仕上げているマシンが多いのはこうしたオドメトリ精度を高めて少しでも位置修正を少なくする狙いがあるためだろう。
もし,歩行型のロボットで出場した場合はまったくオドメトリができなくなる(一歩の歩幅でカウントする手はあるが,それは非常に難しい)。
自己位置認識に関しては工夫のしがいがある。例えば競技台全体を俯瞰できるグローバルカメラによる位置認識,2台強調で一台を位置の基準にするなどなど。

マシンの大きさに関してはどうか。
知ロボではマイクロマウス級の小さいマシンから,競技台に乗せるのにも一苦労するような巨大マシンまでが出場しているが,今のところ大きさによる得点力の差はないように思える。
小さいマシンは小回りがきき,素早い動きが得意なのに対し,大型マシンは動きが遅いぶん体内に大きなバスケットを備え付けて大量得点を狙える利点を持っている。
 大型の,しかも背が高いマシンでは万が一倒れるようなことがないか十分に配慮することが重要である。さもないと競技台を破壊する凶器になりかねないからだ。

たいていのロボットは高輝度LEDを複数使うか,7セグLED,LCDなどを装備してドレスアップしているが,ディスプレイ関係は本当に必要なのか?
答えはYesである。ディスプレイ,外装のないロボットは裸で大都市を闊歩するようなものだ。
クールでかっこいいディスプレイは審査員の目を引くし,なにしろ製作者にとってもロボットの状態が一目瞭然で分かるという効果は大きい。
 動きに自身がないのを派手な外装でごまかす,という手は使い古されている。やはりロボットの動きや雰囲気にあった違和感のないディスプレイがベストだ。

知ロボビデオの整理など

鉄は熱いうちに打てということで今日はさっそく知ロボビデオの編集を開始。
予選の模様:



(恣意的な編集は一切ないですが,これはまずい,消して欲しい等があれば管理人まで連絡ください。
なお,全てのロボットは写っていません。全体像は公式映像であるU-streamの方をご覧ください。)

今年の知ロボを技術的に見ると足回りはステッパーの高速化,DCモータのフィードバック制御が増えている気がした。
速いマシンは良くチューンされていて,得点力も高い感じがした。(マシンの速度=製作者の自信?)
また,RCサーボ,PSDセンサという定番アイテムも多かったがジャイロを使った倒立振子などの新しい技術も散見されキッチリ安定動作していた。
 CPUは8ビットマイコンorPCベースで2極化している気もする。ビジョンセンシングを考えるとPCベースの方が有利なのは間違いないが,そこをあえて非力な組み込みマイコンで完結させる美学も自分的には好きだ。また,制御回路にFPGAなどのゲートアレイデバイスをマイコンと併用しているチームもあって,昨今の技術進歩の恩恵が知ロボにも入り始めている様子だった。
 ソフトでは群知能,イベントドリブン制御などの非逐次型アルゴリズムによるボール認識と運搬という挑戦もいくつか見られて,かなり良い成績を上げたロボットもあった。このあたりは自分も知らない領域だけにとても興味を引かれる。もしうまくいったら知ロボのパラダイムシフトを起こす可能性のある技術だ。

強烈なデコレーションや派手なパフォーマンスはこのロボコンの特徴でもあったが,今年はややおとなしめ。完全なネタロボットというのは出てなかったのでちょっと残念。
「まずは手堅く確実に・・」路線も重要だが,「ていうか明らかに競技にソレって要らないよね・・」路線がもう少し欲しかった。

知ロボ二日目

今日も知ロボ観戦。今年は撮影でHDR-CX550Vが十分な威力を発揮してくれた。これを使ってしまうともうテープメディアには戻れない。

結果は公式HPを参照。
今日はホテル滞在なので明日以降動画や写真をアップロードしていきたい。

今年は上位進出マシンは前モデルのブラッシュアップというのが多かった感じがする。
やはり1回目よりも2回目,3回目と出場を重ねるごとに安定感が増すのは間違いないようだ。
ただ,今年は「最優秀技術賞」が該当無しで「技術賞」を2チームが分け合う形になった。もう一段突き抜けたモノが欲しかったという審査員の要望だろうか。

来年以降をどうするか考えつつ,いしかわさんに教えてもらった書店でMake:technology on your timeを大人買いして読みあさる。
このマニアックな本は表紙といい,中身といい,ちょっと今までの専門書とは一線を画する斬新な雰囲気を放っている。(1巻の表紙右隅のアイコンとページを表す数字しか書いてないところなんか,特に!「これって何の話?」となって思わず中身をめくってしまう。この辺が実に巧妙。)
電子工作だけでなくメカニカルや一種アート的な作品紹介もあって作り物であればジャンルを問わない感じが自分の「浅く広く」的な本能をくすぐる本だ。

知ロボ1日目

今日は仙台で知能ロボコンの観戦。
今年もいしかわさんとお会いできて,いろいろとお話ができてとても充実した一日だった。

やまもとさんの新作ははっきり言ってショッキングなものだった。
がっしりした機械から伝わってくるダイレクトな乗り心地といい,生物的な動きといい,まったく新しいエンターテインメントの予感がするマシンだった。

会場でいろいろな製作者の方に話を聞かせてもらうことができたが,みなさん自分の技術範囲を広げるべく果敢に新しいことに挑戦されていてとても感心させられた。
 競技台の上で行われる短い競技時間では分からないバックグラウンドの部分がとてもおもしろく,見えないところで様々な工夫がされていた。
万全の備えで競技台に上がったのにまさかのトラブル・・・どうせダメだと思っていたら奇跡の得点など,運の要素も強いこの大会ならでは激しい感情の抑揚が最初にこの大会に出ていた頃の自分を思い出させてくれた。

最初のころは無我夢中で「厳しい現実」と戦っていたんだよなぁ・・・
・・・3分/365日。いや,下手をすると10秒/365日かもしれない。
ホントに嫌になるような作業地獄を延々繰り返して,やっとマシンができあがったかと思ったら,一瞬ですべてが終わる。でも不思議なことに「今までの365日ってなんだったの?」とはならない。
うまくいってもいかなくても,あの本番の一瞬っていうのは製作者にとって最高の報酬なんだよなぁ・・・
なにかこう,それまの嫌になるような日々がすべてチャラになってさらにお釣りが来るくらいのものなのだ。
しかもあの特別な感覚って,365日の地味~な準備作業を乗り越えることでしか手に入らないんだよなぁ。

 

 

知能ロボコンの会場へ

 久しぶりにまとまった休暇が取れたためロボット三昧を再開する。
 新しいRideの駆動モータ周りの設計を進めるのと,電流F/Bに関する予備実験を継続している。
 いままでの構成では駆動力が不足することからモータを2個並列で使う構成+定格電圧以上でのオーバードライブを検討している。
 特にオーバドライブ駆動には消費電流の管理が欠かせないことから,電流センシング用のICやADCデバイスについてイロイロと調査している。
ちょっと技術的難易度が高すぎる気もするが,いまのところこの方法以外に解がないのでがんばるしかない。


 今日から仙台に移動し土曜,日曜の知能ロボコンを見に行く。
 例年だと自分のロボットの調整に追われ目が回っている時期だが,今年は見学のみなので気が楽だ。
 今年はどんな奇抜なものが見られるか,とてもは楽しみだ。
 

トルク測定うまくいかず

モータの電流制御に踏み込む前に,静的な電流とトルク測定を行って感じをつかもうと以前買ったプッシュプルゲージを持ち出す。



こんな感じでモータトルクと電流を測ろうとしたのだが,何かがおかしい。
測定トルクを電流で割ったトルク定数がモータ仕様とかけ離れた数値になってしまう。
電流の測り方が間違っていると思ってさんざんトラブルシュートをするも解決しない。

原因はこのプッシュプルのほうにあった。モータ電流が大きくなるとノイズを拾ってしまい誤作動することがわかった。
何も荷重をかけてない状態でモータを通電ロックするとゲージに変な値が表示される。おそらく内部でひずみゲージか何かの微少な荷重信号を増幅する段がモータノイズに弱いのだろうが,計測器なんだからその辺もうちょっとしっかり作って欲しかった。

モータアプリケーションの測定用にはデジタルはダメでアナログ式(バネと指針直結)のゲージが良いのかもしれない。

ラジコンサーボの保持力を下げるちょっとしたアイデア

今日は進展なしだったが,サーボの電流測定を行う中で気づいた点があった。
サーボで何か重い物を保持する際,一度目標位置よりも上に持ち上げて,それから徐々に下げるようにするとモータの保持電流が低くなる。
一方下から上に徐々に持ち上げるような動かし方をすると,静定したときのモータ電流がかなり上昇する。



図のようにある重量物を同じ位置に止めたときに,停止させる直前の方向で保持電流に差が出た。

減速ギヤの摩擦のが大きいRCサーボでは,ある一定負荷を保持したまま停止する際に静止摩擦分だけモータトルクがばらつくことになるが,
このとき静止摩擦力がおもりを支える側に回るようにすればモータの保持トルクが小さくできるわけだ。

もちろん,厳密には振動しているサーボを静止摩擦一定と仮定するのは無理がある気もするが,実際に電流を測ってみると確かに差が出る。

P-PI制御の限界~次の一手

今日も引き続き田宮モータをギュンギュン回す。

いつもデータのグラフだけでは寂しいので動画も載せてみる。(ただモータが回るだけで何もおもしろくありませんが・・・)




(動画を載せるとなんとなく普通のブログっぽくなる?)

上記の動画で目標値2000pulseの時の応答波形が以下。



停止と動きだしのところで振動しているのはエンコーダ分解能が不足して低速時に検出速度がガタガタになっているため。
偏差のグラフを見ると,位置も速度も一応それなりには追従はしているように見えるが,どんなにゲインを追い込んでも10カウント程度の位置誤差が残ってしまう。
 多足歩行ロボットでは複数の脚で胴体を駆動する場合に各リンクに軌道誤差があるとお互いがけんかしてしまうことも考えられるため,できるだけ軌道誤差を無くしたい。

 これ以上のサーボ性能となると,おそらく加速度の制御が必要になってくる。
そこで,以下のような構成を考えている。



 
位置-速度のP-PIに電流制御項をプラスして3重カスケードループを構成する。また,追従性向上のため目標値フィルタ型のフィードフォワードと,加速度観測値と逆モデルを使った外乱キャンセル機構を盛り込む予定。

今の実験システムでは電流が取れないのと,角速度を微分できるほどのエンコーダ分解能がない。
またMAXONとかに手を出すとお金と納期がかかるので,何とか手持ちの部品で実験できないか試してみたい。

フィードフォワード付きP-PI制御

今日は昨日のプログラムを改良する。
P-PI制御で出る軌道追従の遅れは出力軸角度にして60度にもなる場合があり,何とか目標値をオフセットして補正することを考えた。
そこでまずは偏差が指令速度(位置偏差)に比例して大きくなることを利用して指令位置の微分値から偏差の予測値を出してこれをゲタとして目標値に上乗せしてみる。
結果は下記のようになった。ランプ応答


こちらは速度が変動するSinカーブを目標軌跡で与えた場合。


今回の目標値補正ありP-PIは以前にも見たような応答波形・・・。
なんと!ほぼ位置のPIDと同等になっている。

定常偏差は目標値に履かせたゲタの効果で打ち消されるが,速度指令値の符号が入れ替わるところでゲタ補正した目標信号の切り替わり幅が大きくなるために,見かけ上PID同等の大きなオーバーシュートが現れてくる。
つまり追従偏差が無くなる代わりにオーバーシュートを抑えやすいP-PIの特性が消えてしまうことになる。

もしP-PIの性能をキープしたまま追従偏差をゼロにしようとすると,目標信号の時間位相を進めるしかない。
つまり20msec追従が遅れるとすると,20msec後の目標値を今与えなければならないということになる。

変動する軌道への遅れのない追従性に関しては,位置のPIDが実時間での制御性能の限界なのかもしれない。
プロフィール

もやね

Author:もやね
長野県在住の会社員(メカニカル・エンジニア).
ロボットは完全な趣味としてやってます.
E-mail:
mo_ya_ne[a]yahoo.co.jp
[a]⇒@

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