1. 緒言 2. ロボコンとは 3. 出前迅速の課題内容 4. 製作した

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2 軸加速度センサを用いた姿勢制御回路とプログラムの開発
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秋田工業高等専門学校
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小林 陽介,田中 将樹,小林 義和
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[email protected]
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1. 緒言
2014 年に開催したアイデア対決・全国高
スラロームゾーンはゾーン内部にあるパ
等専門学校ロボットコンテスト(通称高専ロ イロンに当たらないように気をつけて運ぶ
ボコン)において, 課題達成のため高く積み 必要がある. しかし, コースの序盤であるた
上げた蒸籠を崩さないように制御すること め, 時間のロスとならないようある程度の
が必要となった. そのため, 試供された 2 軸
.
加速度センサ SCA1020-D11 を使用し, 姿勢 機動力が必要とされる
角材ゾーンは, その不安定な足場の上を
制御のためのシステムを構築した.
ロボットが移動しなければならない. その
ため, 安定した移動を可能とする機構にし
2. ロボコンとは
.
ロボコンとは 1988 年から始まった, 毎年 なければならない
傾斜ゾーンは
, 傾斜角が最大で 15°と急で
発表される課題に沿って技術とアイデアを あるためあまり高く積み上げると, この傾
振り絞ってロボットを作り, 全国の高専が 斜ゾーンで蒸籠が倒れてしまう. 蒸籠の数
競い合う伝統的な競技のことである. 2014 を少なくして運ぶ, 蒸籠を高く積み上げて
年は「出前迅速」という課題名で, その課題 も地面と並行に保てるような機構を搭載す
は蕎麦の蒸籠を 3 つの障害物を乗り越えて るなど, さまざまな戦略が考えられる.
ロボットが目的地まで運び, その数を競い
合う. ロボコンには地区大会と全国大会が 4. 製作したロボット
あり, 地区大会で優勝したチームと審査員
E6 系秋田新幹線こまちを参考に新幹線型
から推薦された 1~3 チームが全国大会に出 のロボットを設計・製作した
(図 2). このロ
場することができる.
ボットはスラロームゾーン攻略のためのオ
ムニホイールと角材ゾーンと傾斜ゾーン攻
3. 出前迅速の課題内容
赤・青の 2 チームに分かれて対戦し, 各チ 略のためのクローラーを自在に変更するこ
, 蒸籠を載せたお盆
ーム 1 台のロボットと 3 人の高専生がフィ とができる移動機構と
2 軸ジンバル機構を搭載
ールドで競い合う. 出前ロボットはお盆に の姿勢を制御する
している点が特徴である
.
高く積み上げられた蕎麦の蒸籠を, スラロ
ームゾーン, 角材ゾーン, 傾斜ゾーンの 3 つ
の障害物を乗り越えて運ぶ. 競技時間であ
る 3 分間の間で少しでも多くの蒸籠を出前
したチームが勝利となる . 図 1 は競技を行
うフィールドの全体図である.
[1]
図 2 製作したロボット
スラローム
角材
傾斜
図 1 出前迅速フィールド全体図
5. ジンバル機構について
1
1
ジンバルとは つの軸を中心として物体
を回転させる回転台の 種である. 2 つのジ
ンバルを軸が直行するように設置すると ,
内側のジンバルに乗せられた物体の向きを
常に一定に保つことができる.今回製作した
2 軸ジンバル機構を図 3 に示す.
制御プログラムのフローチャートを図 5
に示す.
Arduino と 2 軸加速度センサ間の通信は
SPI 通信で行った . 角度データを受信する
とき, そのデータは 11bit で送られてくるが,
SPI 通信の仕様上, 8bit ずつでしか受信する
ことができない. そのため, 2 回に分けて受
信し, 不要な 5bit を削る処理を行った.
PD
図 3 2 軸ジンバル機構
6. 姿勢制御システムの概要
2
今回使用する 軸ジンバル機構は2つの
モータを制御するためのモータドライバー
と, センサから角度を読み取る回路が必要
であった. 作業を並列化するため, 角度読み
取り用の回路とモータ駆動用のモータドラ
イバー回路を分けた(図 4). そして, 角度読
み取り回路には Arduino マイコンボードを,
モータドライバーにはワンチップマイコン
の PIC18F2550 を搭載した自作の回路基板
を使用した.
図 5 姿勢制御システムのフローチャート
図 4 制御システムの概略図
7. 工夫した点
Arduino
を使用したことで簡単にセンサ
と通信を行うことができた. 今回は姿勢制
御を行う手法として PD 制御を採用した. 始
めに, Arduino 側で2軸加速度センサを用い
て角度情報を測定する. そして測定した角
度をモータドライバーに送信し , 目標値
(0 °) との偏差を求める. その偏差に応じて
モータを動作させ角度を修正し, 再び測定
を行う. これを偏差が 0 となるまで繰り返
すような制御を行った.
初めは P 制御で行っていたが, PD 制御に
変更してから 2 軸ジンバル機構の揺れが収
まるまでの時間が減少した.
8. プログラム解説
姿勢制御を行うために重要な PD 制御は,
ワンチップマイコンの PIC18F2550 で行っ
た. 開発環境は CCS 社の C コンパイラを使
用し, C 言語によるプログラミングを行った.
9. 2 軸加速度センサについて
2
SCA1020-D11
, 0.0035
.
20kg
,
.
,
,
.
,
2
30
.
,
15
.
使用した 軸加速度センサ
は角度分解能が優れており
°単位
で角度検出をすることができる さらに
耐衝撃性があり 温度センサも内蔵さ
れている そのため 温度補正も行い 精度
よく角度を測定することが可能となる た
だし この 軸加速度センサの測定範囲は
± °までしか出来ない しかし 今回の
競技の最大傾斜角は °であったため特に
問題にはならなかった
10. 大会成績・結言
,
大会の成績は 地区大会でベスト 4 の成績
を収めることが出来た.
制御に関しても, PD 制御をプログラム上
で実装でき, 性能の良い 2 軸加速度センサ
を用いたことで満足のいく制御を行うこと
ができた.
参考文献
[1]
高専ロボコンルールブック
http://www.official-robocon.com/jp/kosen/kosen2014/rulebook.html