競技用ロボットにおける制御回路とプログラムの開発 Development of Control Circuit and Program for Robot Contest 電気工学科 5 年 14 番熊谷貴明 1 はじめに市販コントローラロボットの動作を競うコンテストに出場する競技用ロボットの開発は, 少人数による製作や資金が乏しいなど障害が多い. 特に部活動のようにチーム編成が毎年変わっていく場合, 技術継承を含めたチーム自体の開発能力の維持と向上は重要な課題となる. そこで本研究では, 開発上の制限が多い競技用ロボットに関して, 競技用に適したシステム構成と開発環境の構築を行い, 競技用ロボットの開発手法を考察する. 2 制御回路構成制御回路は競技ルール等に合わせて構築すべきであり, 製作済み回路の再利用が期待できる. 制御回路は Fig. 1 に示すように機能別にモジュール化を行い, モジュール同士の接続に予め定めた規約を用いる. モジュール化により, 回路のメンテナンス性, 再利用性を向上する. Fig. 1 で示した回路構成は, 複数の異なるモータを制御することを考慮してある (文献 [1] を参照). また, コントローラ及び受信機においても, 電波無線や赤外線を利用した遠隔操作システムを構成でき，競技用ロボットの構成に柔軟性を確保する. 3 制御プログラム構成制御基盤に搭載するマイコンは, 受信機の入力, 各センサ類の入力, ドライバへの出力を処理しなければならない. 制御プログラムは, 非同期で動作しメッセージでデータを送るタスクを, 制御信号受信, 出力遮断, ドライバ出力, 受信状態の表示の 4 つを用意し, 各タスクの実行条件を記述するタスクマネージャを配置する (文献 [2] を参照). 次に, 制御回路の入出力を処理するプログラムが必要だが, それらは制御基盤に接続される受信機やドライバに合わせてそれぞれ用意する. 各タスクで入出力データ表現と内部データ表現の変換と実際の入出力処理を, 制御基盤に接続する各モジュールごとに製作する. また, 他のセンサを制御回路に加える場合はセンサ処理専用のタスクを用意し入力処理を行う. 4 プログラミング言語と開発環境の選定マイコンのプログラム開発では, アセンブラ言語または C 言語が使用されることが多い。アセンブラ言語による開発では，プログラムの肥大化と難読化が大きな問題となった. これにより開発負荷の一極集中と複雑なプログラム記述によるバグ発見の遅れなどが生じ, 開発期間が長くなる原因や技術継承の障害となっている. 今回提案する開発手法では, プログラムの再利用性及び可読性の向上のため, プログラミングを学習する上での標準的な位置づけである C 言語で開発を行う. 使用するマイコンは入手が簡単で価格の安い PIC18F1320 とし, 開発環境は MPLAB IDE, C 言語コンパイラには PIC C18 Compiler を使用する (文献 [3] を参照). 指導教員河合康典電波無線無線受信機 DCモータドライバ制御基盤自作コントローラ赤外線無線自作赤外線受信機 DCサーボモータドライバ Fig. 1: 回路構成図 5 製作実現と考察前述した設計に基づいた制御マイコンの開発を行った. 開発には 4 日程度を費やし, アセンブラ言語による開発時に 1ヶ月必要としたに比べ, 開発期間を大きく削減できた. また, プログラムの可読性が向上され記述ミス等によるバグの発見等も早くなった. しかし, 逆アセンブル結果を検証する限り, PIC C18 Compiler が生成するプログラムは最適化が不十分であり, プログラム規模の大きさによっては低価格のマイコンには使用できない懸念がある. コンパイル時のオプションを様々試したが改善の兆しはなく, コンパイラの限界と考えられる. 6 検討課題 C 言語で開発を行いに際し, 生成されるプログラムの速度, サイズにおけるパフォーマンスの改善が必要である. 今回使用した C 言語コンパイラである PIC C18 Compiler の他に, C 言語コンパイラは幾つか存在する. 今後の課題として，今回とは異なる C 言語コンパイラを用いた開発環境の構築によるパフォーマンスの改善が必要である. 7 おわりに本研究では, 競技用ロボットにおける模範となる開発手法を提案し, 実践を行った. 結果, 少ない資金で開発期間の大幅な削減と，プログラム記述の簡易化を実現し, 競技用ロボット開発において十分に運用可能であるという結論を得た. しかし, 実際に運用するにあたっては, コンパイラの性能に懸念があるという不安があり, 今後これを解消すること目的とする. 参考文献 [1] 谷腰欣次, DC モータの制御回路設計 (第 3 版), CQ 出版社, 1986. [2] 西村輝一ほか, 二足歩行ロボットのモデルベース開発, オーム社, 2005. [3] 後閑哲也, C 言語による PIC プログラミング入門, 技術評論社, 2002.