ねずーの反射行動テスト・「ねずーくんのネコブルース」

前回作った「反射神経」を組み合わせて、ねずーに目的を持った行動をとらせてみました。

今回作ったのは、障害物をさけながら広い領域を動き回る「探索行動（explore behavior)」と、近づいてくる猫から逃げ回る「回避行動(avoid behavior)」の二つです。動画でご覧下さい。

ビヘィビア・ベース・ロボティックスならではの昆虫っぽい動きです。

ビデオには映っていませんが、旋回のときに時々ぐるぐる回ってしまうバグがあります。タイムアウトで抜けてしまうのでおおきな問題はありません。知らずに見ていると、まあそういうもんかなとも思ってしまいます。
われわれ生物にも実際はそんな「バグ」が残っているのかもしれません…。

ただ、明らかに大きな問題が一つ。
それは、猫があまり興味を示さないという問題です。とほほ。
ねずー製作の目的が「猫を遊ばせる」なのに…。製作を始めた頃には最強だったトンボの猫じゃらしも、マイブームが去ったのか全く興味なしです。

今回は反射行動のテストなので、ねずーに猫を遊ばせるだけのまとまった行動が出来る自律性はありません。これからです。今後に期待でしょうか。そうそう、音声もまだですし。他の猫の声とか、鳥の声とかにも良く反応するんですよ。

ともあれ、新猫じゃらしツールの選定、音声の選択、自律プログラムの作成が今後のテーマです。
がんばれ、ねずー！

ドライブサーバの仕様を考える

これは以前も掲載したシェーキーのブロック図です。

先日、駆動輪にホィールエンコーダを取り付けて下準備が整ったので、これからドライブサーバを製作していこうと思います。

ドライブサーバは左右駆動輪の速度制御の受付だけでなく、駆動輪によるオドメトリと、ジャイロコンパスの二重構成で、ロボットの現在位置を算出する情報を提供します。
これをまとめるとこんな感じです。

１・回転速度と総回転数をを与えると、左右のモータをそれに従って制御する
２・原点から左右の駆動輪がどれほど回転したかの（オドメトリ）情報を提供する
３・ジャイロコンパスによる現在のヘッディング情報を提供する

１はちょっと困難です（いきなり！）速度制御を実現するにはホイールエンコーダの分解能が大分足りない気がします。でも、とにかくやってみます。

２は左右のエンコーダの値を積算するオドメータを実装することで実現します。32bit符号付きのカウンタで原点命令で0にリセット、その後前進方向ならプラス、後退方向ならマイナスにカウントします。
32bit符号付きなら±2,147,483,647カウントまでいけるので、車輪の回転に換算すると21,474,836くらい、走行距離にしてのべ4000km以上の積算が可能です。

３は今までのノウハウを元に、なるべく安定なコンパスを作ってみたいと思います。

ねずーの回路図とテスト用ソースコード

ここらで現在の回路とソースコードについて説明しておきましょう。

先ずは回路図からです。こちらからダウンロードできます。

「ねずー回路100519.pdf」をダウンロード

ジャイロの回路、秋月のモジュールを使ってますが、実質これだけしか使っていません。私のように秋月のモジュールを利用する場合は、下の写真のようにチップコンデンサC6を外し、写真のパッドから圧電ジャイロG1の出力を直接引き出します。あとは電源を供給するだけです。

ジャイロと加速度センサは3.3Vで動作させていますが、PSDには5V必要です。この回路ではサーボの電源から給電しているため、PSDを有効にするにはモータースイッチをONにする必要があります。
サーボの電源は電流合成用のダイオードを通ってきているので、ダイオードの準方向電圧降下分電圧が下がっています。実測すると0.6Vくらいですが、なんと言っても元電源が4.8V定格なので、動作下限電圧が4.5V（実際は4Vくらいでも動くようですが…）のPSDにはちょっときついです。
バッテリーから直接取るように変更した方が良いでしょう。

次はソースコードです。

「main100119.c」をダウンロード

このソースは、マニュアルにある通り、Version2.0.4のEx_ALLというプロジェクトフォルダをコピーして製作しました。

主な関数の説明です。

・go_fwd、go_bkd
走行時間とモーターパワーを引数にして前進、後進をする関数です。ジャイロコンパスで現在の方向を保持します。
5msごとにジャイロ出力（角速度）を積算しコンパスを更新します。コンパスが現在の方向（０）から200以上ずれたら直進補正のために左右のモーターパワーを調整しています。

・right_turn、left_turn
旋回角度を表す数値「ジャイロターゲット値」を渡すとその角度まで旋回します。おおよそ15000で90度旋回します。ブレーキがかかり難いので最終的に角度を調整するプロセスが入っています。
何らかの理由で指定角度旋回できなくとも、10秒でタイムオーバーになりリターンします。このとき戻り値として１（旋回できた時は０）を返すので、呼び出し元で状況を把握できます。

・keep_fwd、keep_bkd
引数としてモーターパワーを渡すと、50ms間、直進補正しながら走行してリターンします。センサのチェックをしながら連続的に呼ぶことで、走行中の障害物に対応することが出来ます。50msという継続時間は、PSDの計測周期（約50ms)で決めています。これなら１回呼ぶごとに新しい計測値をゲットできます。
また、keep_fwdでは実行中、x方向の加速度センサの最大・最小値をグローバル変数に記録します。呼び出し元で衝突の検出ができるようにするためです。

ねずーの反射神経テスト・「とびだすな！ロボは急に止まれません？」

今回は反射神経テストの基本編です。

運動テストでは、ひたすら指定のパワーで指定時間走る関数go_fwdを作りましたが、これではセンサーの処理を入れられません。
そこで50msだけ直進補正しながら前進するkeep_fwdという関数を作りました。これを実行してはセンサーをチェックし、問題なければまたkeep_fwdを実行して・・・というやり方で、障害物を見張りながら走行させることが出来ました。

こう言った処理は、タイマー割り込みを使えばもっと確実にできるのですが、今回はあまり勉強せずにCoronのサンプルプログラムを活用しようという虫のいい企画なので、こんな風になりました。

背の高い（センサーの視野に入っている）物体は正面のPSDで検知し、急ブレーキで停止後方向転換。センサーに引っかからない物体は、加速度センサーで衝突を検出、少しバックして方向転換するようにプログラムしてあります。

加速度センサーはそのままだと周波数帯域が広過ぎて、ちょっとつついたくらいでも大きな信号が出てしまいます。そのため0.39ufとかなり大きめのコンデンサを出力に入れて帯域を制限しています。

とにかく動画はこんな感じです。

https://youtu.be/zzJ0vSoKP5o

次回は、ここまでの回路図と、実験に使ったソースコードをアップしたいと思います。

ホイールエンコーダーを作る

頭部カメラを作ろうと思っていたのですが、内蔵するセンサーなどでまだ迷っているので、先に移動ロボット部分を作ってしまおうと思います。

今回はホイールエンコーダーの工作です。
駆動輪の内側に黒白の縞模様を書いて、これを反射型フォトインタラプタで読み取ります。

jw_cadで写真のようなエンコーダ板を作り、これを0.3mmのプラ板に貼付けます。今回は本格的にスプレー式の紙用接着剤を使いました。3Mの77番です。たったこれだけのために購入しました！
円盤の直径は60mm、とりあえず、2mm幅の黒い線を50本円周上に配置しています。

注意が必要なのは、エンコーダ板をインクジェットプリンタで印刷すると、黒でも赤外線を反射してしまうことです。黒でも白でも同じような反応なのでエンコーダ板としては使えません。レーザープリンタでは問題ないので、インクの違いだと思います。こんなときはコンピニでコピーしてくるとOKです。可視光のセンサならこんなことはありません。赤外線の場合だけです。

これをサークルカッターで丸く抜けばエンコーダ板の完成です。さらにインレタ用の保護スプレーをかければ耐久性が増しますが、手持ちが無いので今回はこのままで行きます。水がかかったりしなければ問題ないでしょう。
エンコーダ板はホイールの内側に両面テープで軽く貼ります。

　　

こんな風に手間をかけるのは、やり直しが楽なようにです。紙を直接ホイールに貼付けるときれいにはがすのは大変です。エンコーダのパターンは変更の可能性がありますから。なにせとりあえずの仕様なので。

モーターホルダーの側面に小さな基板を付け、これに赤外線反射型インタラプタと駆動回路を組込みます。フォトトランジスタの出力はADコンバータで読みます。

実際の波形です。やはり、マークの幅がちょっと狭いようです。本来は波形上下が飽和して平らになった方がいいんですが、正弦波みたいな感じで1V P-Pくらいは出ています。センサーとしては「ゲインが低い」感じですね。毎度のことながら結果オーライなので、これで何とかやってみます。

　　

写真でお分かりのように、中古のオシロスコープ買いました。（いままでのスコープメーターは借り物でしたので）HPの４現象ディジタルオシロです。アナログ感覚で使えるので気に入っています。ヤフオクで20K円でした。年末でオークションの参加者が少なかったせいか、相場より大分安く入手できました。電子技術のOMさんの中には「中古の測定器ではろくな仕事はできない」と言われる方もいらっしゃいますが・・・無いよりはマシです。
私が落札したこれは当たりでした。調子良く働いてくれています。

ねずーの運動テスト・基本編「ジャイロがんばる」

ジャイロコンパスを使ったねずーの基本運動テストです。
その場旋回、直進を行います。
とにかく↓動画を見てください。（久しぶりにiMovieを使いました！）

https://youtu.be/At7FXOax0Qs

旋回から停止するときに、ずいぶんグラグラします。ブレーキの制動力が不足しています。

減速比を落としたために、低速域でのモーターの回転数が落ち、回生ブレーキの効きがずいぶん悪くなりました。電気ブレーキもエンジンブレーキと同じで、ギア比を上げた方が効きがよくなります。モーターの回転が早く、発電電圧が高いので大きな回生電流が流れるためです。

ここでは、ジャイロコンパスで指定角度まで回す→パワーを落として反対方向へ戻す→もっとパワーを落として戻しすぎた分を回す→この辺で勘弁してやる、という人情味のある制御をしています。
ジャイロを使っているので、毛足の長いカーペットのような車輪の空転しやすい環境でも、なんとか指定角度旋回します。また、動画にあるように旋回中ちょっとくらい引っかかっても意思貫徹する根性も持っています。

心配していた直進はうまく行きました。ジャイロコンパス補正がいい感じに効いています。
動画は最大90%のモーターパワーで走行、走り出しと停止前には３段階の加減速ステージを置いています。最高速度で50cm/sec以上出ているようです。
マイクロマウス大会ではとてつもなく早いロボットがいて驚かされますが、そういったものは大分高級なモーターを使っているようです。安物の小さなモーターと模型用のギアを使っているロボットとしては、速度・精度ともいいセンいってるのではないかと思います。

ねずーくん、運動テスト合格です。

ねずーのちょっと改良

ねずーの身体検査の結果、ちょっと改良したいところが見つかりました。

■その１：ユーザーボタンを引き出す CoronはDfuSeというシステムでUSBからソフトをダウンロードできることは先に書きました。このおかげで特別な開発ハードなしにソフト開発ができます。ダウンロードモードに入れるには、Coronの基板の「ユーザーボタン」を押しながら電源を入れる（USBケーブルを挿す）必要があります。
ところがこのボタンがとても小さくて、ネズーのように組込んでしまうと「押しながらケーブルを挿す」のが困難です。
そこで、下左の写真のように面実装ボタンスイッチのポート側に電線をハンダ付けして引き出し、右写真のようにボディの左側面にしっかりしたボタンスイッチをつけました。赤いアタマが新しいユーザーボタンです。ボタンを押すとGNDに落ちるよう配線します。

　　

左手でボタンを押えながらねずーを持ち、右手でUSBケーブルを差し込むことができます。また、プログラムのスタートボタンに使う時も押し易いので便利です。

■その２：スピードアップ 走らせてみると確かにネットタンサーよりは早いのですが、猫好みのスピード感は感じられません。使用したギアボックスは４通りの減速比が選べるので、思い切って一段下げてみました。38.2:1のギア比です。現状114.7:1ですから、３倍速くらいになります。
モーターは負荷を掛けていくと性能のばらつきが出易く、このような差動ドライブだと直進性が悪くなるので、なるべく減速比を稼いだ方がいいのですが、モノは試しです。
とりあえず両方のモーターを100%のパワーで走らせてみたらこんな感じになりました。

https://youtu.be/r4vgp4_XV7k

元のギア比でも相当曲がったのですが、これはカーブというより暴投ですね。ジャイロでどこまで補正できるでしょうか。楽しみ（？）です。

加速度センサをもうちょっと考えてみよう

以前、高感度加速度センサーで移動距離を測るのをあきらめちゃいました。その顛末はこれです。

この記事を読んだある方から「なんで３軸全部使わないの？」という（もっともな）質問をいただきました。

ヨーク考えてみれば確かにそうです。せっかく３軸あるのになんでZ軸だけ仲間はずれなんでしょう。平面上の加速度の計測だからXYだけでいいやという思い込みがあったように思います。

このときの問題は、加速度か傾斜かわからないことだったので、XY方向の加速度に鈍感なZ軸を導入すれば、「加速度なのか傾斜なのか」を識別できるかもしれません。

なんといっても1Gの重力下で70年代のジャンボジェットがINS(慣性航法装置)で飛んでいたのですから、「重力があるからダメ」というのは根性のない話です。

なんといっても21世紀ですから（こればっかり）なんとかなるんではないでしょうか（無責任）。

シェーキーの移動部分を作りながら、再チャレンジしてみたいと思います。

ねずーの身体検査

完成した「ねずー」の諸元を確認しておきます。

全長110mm、全幅110mm、全高75mm　全備重量310g
PSDセンサ(10-80cm)３点（右、正面、左、猫検出用に約５度上向きにオフセット）
加速度センサXY軸±2G、振動ジャイロ１軸・最小感度1.2deg/sec
DCモーター２点(FA130-18100相当）減速比114.7:1（最終的に38.2:1に変更） 駆動輪直径約36mm
ラジコンサーボ１点（ネコじゃらし駆動用）
単四型Ni-NHバッテリーX４（4.8V1100mAH）

身体検査の第一段階はcoronのサンプルプログラムを使ってのセンサーのチェックです。
coronにはわかり易いサンプルプログラムがついてきます。初めて使うマイコンだと、ソフトにも不慣れなので「確実に動く」そのうえ「ハードのテストもできる」サンプルプログラムは大変ありがたいです。

Coron付属のCDにサンプルプログラムがありますが、私が使ったのはVersion2.0.4で、別のCDでもらいました。テクノロードのHPから最新バージョンへのアップデートが申し込めるようです。

AD変換のサンプルプログラムは３チャンネル分のAD変換データをUSBポートからPCへ送信、Teratermなどのターミナルソフトで表示するものです。これを改造してすべてのAD入力をTeratermで読めるようにします。こんな感じです。

coronのUSBが仮想COMポートになるので、Teratermでオープンするだけで表示できます。Coronのソフト主要部分はたったこれだけです。

//センサー表示プログラム
while(1){
USB_putn(coron_IOA_ADValue[0],4); //IOA0のAD値(12bit)を４桁で表示
USB_puts(" "); //文字列送信
USB_putn(coron_IOA_ADValue[1],4); //IOA1のAD値(12bit)を４桁で表示
USB_puts(" "); //文字列送信
USB_putn(coron_IOA_ADValue[2],4); //IOA2のAD値(12bit)を４桁で表示
USB_puts(" "); //文字列送信
USB_putn(coron_IOA_ADValue[3],4); //IOA3のAD値(12bit)を４桁で表示
USB_puts(" "); //文字列送信
USB_putn(coron_IOA_ADValue[4],4); //IOA4のAD値(12bit)を４桁で表示
USB_puts(" "); //文字列送信
USB_putn(coron_IOA_ADValue[5],4); //IOA5のAD値(12bit)を４桁で表示
USB_puts(" \r"); //カーソルを先頭に戻す(CR)
wait_timer_msec(50);
}

ブログにアップするとインデントが無くなってしまって見難いですが、この無限ループで50msごとに６ポートのアナログ値をUSBの仮想COMポートからPCに送信しています。

USB_putnが引数の値を十進変換して指定桁で送信する関数、USB_putsが文字列をそのまま送信する関数です。

センサーの順番は、右PSD、正面PSD、左PSD、加速度左右(Y)、加速度前後(X)、ジャイロです。単位は0.8mV、表示されている数値に0.0008を掛けると実際の電圧になります。

簡単なもんです。ターミナルの数字を見ながら各センサをチェックします。ねずーは問題なしでした。

とはいえ、ちょっと気になることもあります。
ねずーのPSDはバッテリー電圧、4.8Vで動作しています。バッテリー電圧は、モーターやサーボが動くと電圧降下してPSDの動作下限電圧4.5Vを割り込む可能性もあります。あまりよろしくない使い方ですが、今回は我慢します。この辺の事情を頭に入れてプログラムを作成することにしましょう。

身体検査の第二段階は運動能力のテストです。
DCモーターとサーボモーターもそれぞれサンプルプログラムがあるので、それでテストしました。
DCモーターはCW（時計回り）の指示を出したときに前進するようコネクターを挿しました。
サーボモーターのニュートラルもこのときに出しておきます
ねずーはこちらも合格点でした。

こんなふうにいろいろとテストをしていると、いくつか改良したい点もでてきました。
次回はこの辺の改良をしたいと思います。

ネットタンサーのカメラケーブルを延長

ネットタンサーのカメラ（CMOSセンサー基板）を外して、接続用ケーブルを延長します。オリジナルは長さが15cmくらいですが、シェーキーの頭部にカメラを搭載し、メイン基板を胴体内部に置くためには、これを1mくらいには延長しなければなりません。

カメラのケーブルはこのように全部で７本引き出されています。

各引き出し線を確認するとこんな感じです。
１：黒　→　何かの信号
２：茶　→　GNDに接続（４のシールドと接続）
３：ミドリ　→　何かの信号
４：太い黒　→　シールド・GNDに接続。２とも接続
５：赤　→　何かの信号
６：オレンジ　→　何かの信号
９：黄　→　LED(未実装)のON/OFF

このなかで、黄色のケーブルは、どうやら夜間用の赤外線LEDのON/OFF用のようです。ネットタンサーでは使っていないので、接続しなくてもいいでしょう。すると信号線（おそらく電源+含む）４本とシールドがあれば何とかなりそうです。４芯シールドケーブルですね。

４芯シールドともなると電線専門店でもなければ購入できません。柔らかさや太さの品定めも必要だし、適当なものを見つけるのはちょっと面倒です。ステレオ用のシールド線２本使いという手もありますが・・そんなとき、身近にいいものを発見しました。USBケーブルです。
ジャンク箱に眠っていたUSBケーブルを切断してみるとこのようになっていました。４芯＋シールドです。これは細めのケーブルなので柔らかいし、長さも1.5mと十分です。これを使います。

オリジナルのケーブルをコネクタから30mmほどのところで切断し、ハンダでUSBケーブルと接続します。真空管ラジオの時代には御法度の工作方法、「空中握手」ですね。ハンダの苦手な人は接続不良になりがちなのでそういわれたのでしょうね。
型番を調べれば通販でコネクタを買えるかもしれませんが、接点金具をカシメるのは小さいだけに難しそうです。接続部分はヒシチューブで保護します。

　　

これで約1.5mの接続ケーブルが完成、右側の写真のように本体に接続してテストしました。問題なく動作しました。念のため近くでモーターを回したりしてノイズを入れてみましたが、特に問題はありませんでした。
そろそろ、シェーキーのカメラケースの設計に入りたいと思います。

Coronロボのボディ製作・合体完了！

製作した上段、下段シャーシを15mmのナイロンスタッドで合体させます。完成シャーシの裏表はこんな風になっています。
結局スピーカーは下段シャーシに伏せた形で軽く接着し、スポンジを挟んで上段シャーシで押えるようにしました。これが一番大きな音がします。
電池は1100mAhの単四型Ni-NHです。ボディの側面に充電端子を設けてあります。

　　

完成写真がこれです。

　　

緑色の謎の物体はトンボの猫じゃらしです。サーボホーンに熱収縮チューブで取り付けました。

今後は次の手順で作業を進めます。

■１：テスト用ソフトでハードのチェック
■２：旋回や直進など基本運動関数の作成とテスト
■３：障害物回避や壁伝い走行などの基本ビヘィビアの作成とテスト
■４：これらを組み合わせて猫と遊ぶアプリケーションの作成

猫に対するロボットのサイズはこんな感じです。試しに走行させてみましたが、怖がることは無いようです。安心しました。
それから奥さんがロボットに名前をつけてくれました。「ねずー」です。いい名前だと思います。

頭部カメラのフレームを作る

シェーキーの頭部は、特徴的な形のフレームにカメラやレンジファインダーが、はめ込まれた形になっています。

実物は金属で出来ていますが、今回はもちろん！木製です。ヒノキの角材を使います。

　　

ますますもって模型飛行機ですねえ。ともあれ主要部品がこれで完成しました。

ざっとペーパーがけして配置してみました。頭部フレームはモックアップより少し大きめにしました。この方がバランスが良いようです。

頭部が乗っかっているのは、GWSの360回転可能なサーボです。これはヨットのセイルウィンチ用だそうです。なぜこれを秋月で販売しているのでしょうか？不思議です。ともあれこれを使えば、移動しなくても周りがすべて見渡せるのでオペレーション上有利でしょう。

この後はカメラやレンジファインダーをプラ板で作っていきます。強度があまり必要でないのでプラ板でも十分です。
カメラの中にはネットタンサーのCMOSセンサーを搭載します。ケーブルを延長しなければなりませんが、電気的にこれがうまく行くかどうか！このへんが腕の見せ所です。

最近はすっかり木工づいています。久しぶりにやってみましたが、なかなか面白いもんです。懐かしいですしね。

Coronロボのボディ製作・マイコンボードとセンサー

上段シャーシには、Coronボードと各種センサを搭載します。

３個のPSDはGP2D12、これの前身です。取り付け金具は0.8mmくらいのアルミ板を加工すると簡単です。タミヤのユニバーサル金具も使えます。
電源はバッテリーから直接給電します。ちょっと低めですが何とかなるでしょう。データシートによれば、出力電圧は3V以下なので3V系のAD変換機に直接入力します。
他にジャイロセンサ（１軸）と加速度センサ（XY）を搭載します。こちらは3.3Vで駆動します。

加速度センサはXYのみ利用し、障害物に衝突したことを検出する予定です。

ジャイロセンサは秋月のこれを使い、アンプを使用せずに直接信号を取り出しています。ジャイロ単品を使った方が安上がりですが、意外と基板に取り付け難いので使いました。これは旋回角度を制御するために使います。防振のため、上段シャーシに垂直に取り付けた基板に、スポンジ付きの「隙間テーブ」で取り付けています。

　　

CoronのADは分解能12bit,リファレンス電圧が3.3Vなので分解能が約0.8mVと高感度です。そのためセンサを直接接続することが出来ます。

Coronの基板は取り付け穴が2Φです。2mmのビスナットで固定しますが、裏面にも部品があるので注意が必要です。今回はナットを２個、スペーサー代わりに入れました。
それからmicroSDソケットの前は、スペースを空けておかないとカードが入れ難くなります。

Coronロボのボディ製作・動力部分を作る

全体のデザインはこんな感じです。主な部品を置いてみました。

ギアボックスはタミヤのダブルギアボックスにこのモーターを取り付けて使用します。巻き線が多いので高電圧での使用が可能です。
シャーシはユニバーサル基板２段構成で、下段にギア、電池（単四型Ni-NH４本）とサーボ。上段にCoronと各種センサを取り付けます。
対物センサにはおなじみPSDを３方向に取り付けます。自律移動にはあまり適切でない配置ですが、知能の身体性を信じて、あとはソフトで対応します。

まず、下段シャーシーを組み立てたところです。

　　

駆動輪はジャンク箱からこれです。そのままだとトレッドが狭く、タイヤ側面と基板がこすれるので、プラワッシャを挟んでいます。キャスターは同じくジャンク箱からボールキャスターを採用。少しポストを切り詰めて高さを合わせています。
ベースになる基板は秋月のこれですが、標準的なサイズなので他社の基板でも使えると思います。
サーボはGWSのこれです。両面テープとインシュロックで固定しています。これで猫じゃらしをちょいちょいと動かそうという訳です。軽負荷ならこの方法で十分、分解もしやすいのでジャンク箱行になっても安心ですね。

スピーカーには古名刺で作ったホーンをつけました。こうしないと満足に音が出ません。このスピーカーは20Φくらいの超小型、ラジオデパートで見つけたものです。もう少し大きい方がいいようですが、なかなか手頃なものが見つかりませんでした。