自律知能ロボット用制御システムの開発
(その4 マン・マシン・インタフェースボード)



1995年 3月

指導教官   長澤 正氏

       川上 誠

       澤  洋一郎

報告者   谷口 哲也

沼津工業高等専門学校

電子制御工学科  卒業研究報告書


卒業研究報告書要旨

報告書番号     NCT−電子制御−9404     
題目        自律知能ロボット制御システムの開発 
          (マン・マシン・インタフェースボード)

 我が電子制御工学科では、1988年度以来、メカニクス、エレクトロニクス、ソフトウェアなど一連のシステム開発技術習得を目的とするMIRS開発が行われてきた。
 来年度から、いままでMIRSシステムで使用されてきたCPUボード(ZAXS−221)とI/Oボード(ZAX S−222)に変わり、VMEバス、VSBC−1(CPUボード)、VIPC310(I/Oボード)を導入することとなった。
 本年度の卒業研究では、自律知能ロボット制御システムの開発(マン・マシン・インタフェースボード)という題目を基に、新たなMIRSシステムに対応するマン・マシン・インタフェースの研究を進めていく。


討論

 ◎遠山教官
質問:消費電流を減少させるために7Seg.−Led.をパルス点灯させる回路を作製したということですが、他にもっと消費電流を減少させる方法は無いのですか?

回答:他に方法が無いか考えた結果、パルス点灯が最も良い方法でした。


 ◎遠山教官
質問:マン・マシン・インタフェースの消費電流は、(MIRSシステム)全体の電流の何%ぐらいになりますか?

解答:マン・マシン・インタフェース全部では、約0.2Aです。それから考えると、10%にも満たないと思われます。


目次
1、はじめに
  1.1 目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1
1.2 MIRSにおけるマン・マシン・インタフェースの役割・・1

2、マン・マシン・インタフェースの機能について・・・・・・・・・・4

3、マン・マシン・インタフェースボードの概要
  3.1 構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・4
  3.2 機能性能
      3.2.1 メインボード ・・・・・・・・・・・・・・6
      3.2.2 フロントボード・・・・・・・・・・・・・・9
  3.3 外形・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・10
  3.4 インタフェース・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・11

4、ソフトウェアビジビリティー・・・・・・・・・・・・・・・・・・13

5、基板の評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・15

6、おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・17

  謝辞・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・17

  参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・17

  付録
      作成手順書・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・18
      検査手順書・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・20
      取扱説明書・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・23
      回路図(OrCADファイル)・・・・・・・・・・・・・29
      パターン図(CADパターン図)・・・・・・・・・・・・31
      部品表・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・36


1、はじめに

1.1 目的

 1988年度より、電子制御工学科でMIRS開発が始まって以来、様々なタイプのMIRSが製作されてきた。今までMIRSシステムで使用されてきたCPUボード(ZAX S−221)とI/Oボード(ZAX S−222)にかわって、より性能の高いVSBC−1(CPUボード)、VIPC310(I/Oボード)が1995年度より導入されることになり、それらを用いた自律知能ロボット用制御システム開発を行なう事となった。
 したがって、

 @ 新たなMIRSシステムに対応するマン・マシン・インタフェースボード(以下、MMIボードと記す。)を完成させる。
 A いままでのMMIボードよりも高い情報表示、情報入力機能を持つボードを開発する。
 B 新たなMMIボードに関する文書、回路図等の体系化。

以上に挙げた3つを行なうことを本卒業研究の目的とする。


1.2 MIRSにおけるマン・マシン・インタフェースの役割

 まずここで、MIRS本体およびMIRS競技について説明しなければならない。
 MIRSとは、Micro Intelligent Robot Systemの略である。
 MIRS競技は、MIRS競技規定(表1参照)で定められた広さの競技場内で1対1で行われる鬼ごっこの試合のことである。
 MIRS本体の後部には、勝敗判定装置と呼ばれるスイッチが定められた位置に取り付けられており、そのスイッチの上方に目標として豆電球が取り付けられている。MIRS競技の勝敗は、どちらが早く相手MIRSの勝敗判定装置を押すかで決まる。
 MIRSシステムにおいて、MMIボードの役割は、CPUと人との間に入り情報交換の手助けを行なう事である。
 MIRSの競技中の行動には、リモートコントロールなどの外部からの操作は一切できない。つまり、MIRSは自分自身で相手MIRSを探し、追跡し、アタックし、壁を避け、相手MIRSの追跡から逃げるという完全な自律型ロボットである。従って、MIRSはそれらの行動を行なえるような機能を備えていなければならない。
 MIRSの競技規定でいくつかの制限があるが、それさえ満足していればどのような機能を有していてもよいので、各チームで定められたMIRSの作戦によってそれぞれ違った特徴を有する機体に仕上がるであろうし、また走行方法にも違いが出てくるであろう。

表1 MIRS競技規定(抜粋)
  1. 競技
    • 競技場内で2台のロボットを対戦させ、それぞれのロボットの後部に取り付けたスイッチを相手よりも早く押したロボットを勝者とする。
  2. 競技場
    • 通常の証明を行なった室内に競技場を設置する。
    • 競技場の大きさは2m×2m、周囲を高さ0.2mのフェンスで囲う。
    • 競技場内にスタート位置を設定する。
    • フェンスの内側に幅0.3mの進入禁止ゾーンを設定する。
  3. ロボット
    • ロボット本体の寸法は、競技開始時に於いて縦0.25m、横0.25m以内とし、高さ0.1m以上とする。
    • ロボットの前後面および側面は、つや消し黒で塗装すること。
    • ロボットの後面に勝敗判定装置を取り付けること。
    • 制御用コンピュータとして、指定したMPUボード(制御用68Kボード)を搭載すること。
  4. 禁止事項
    • ロボットは、対戦中に競技場の外に出ることができない。
    • 選手(使用者)は、対戦中にロボットに触れることができない。
    • 進入禁止ゾーンには、追跡及びアタック時を除いて進入できない。

 しかし、頭脳となるソフトウェア、感覚機能となるセンサ系、移動するための駆動系はどのような構成であるにしろ必然的に備えなければならない機能になるに違いない。
 このMIRSにおける必要最低限のシステムの基本機能を図1に示す。


5KB

 図1からも明らかなようにMIRSは、ソフトウェア、エレクトロニクス、メカニクスまでを含めた総合的なシステムであり、この密接に関連した3つがうまく噛み合わなければ、正確に作動するMIRSはできない。


6KB

 図2は、図1にMMIボードのシステムを加えたMIRSシステムを示す。
 図2に示されているように、MIRSシステムにおいて、MMIボードの役割は、CPUと人との間に入り情報交換の手助けを行なうことである。


2、マン・マシン・インタフェースの機能について

 次の項目でも述べるが、本研究では、7Seg.−Led.を4桁に増やした。7Seg.−Led.を4桁に増やした理由としては、図3に示してあるように最上位桁を表示データの種類の表示用に用いて、残りの3桁をデータ表示用に用いた場合、データの種類は、0〜9の10種類あれば十分であり、データは、例えば、自機位置座標を表すのであれらばセンチメートル表示で3桁あれば十分である(競技場の大きさは、2m×2m)と考えられるからである。同様に、ディップスイッチを4ビットにした理由としては、動作モードの種類は、テストプログラムモード、競技本番用モード、ペナルティーモード等が上げられ、4ビット(=16種類)あれば十分足りると考えたからである。


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3、マン・マシン・インタフェースボードの概要

3.1 構成

 MMIボードの主な仕様は、図4にあるように7Seg.−Led.(データ表示用)が4個、4ビットディップスイッチ(モード設定用)が1個、Green,Red−Led.(状態表示用)が各1個、押しボタンスイッチ(表示切替用)が1個である。


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 MMIボードは、メインボードとフロントボードに分かれている。メインボードの大きさは、VMEラックに収納する事を考慮に入れて決定した。その大きさは、100mm×140mmである。フロントボードの大きさは、VMEラックの側面に取り付ける事を考慮に入れて決定した。その大きさは、60mm×140mmである。


5KB


 今回、図4の外観図に示したように、MMIボードをフロントボードとメインボードに分けた。
 メインボードとCPUボードは、40ピンコネクタとケーブルで接続する。当初の予定では、図6の外観図のように両ボードを接続してVMEラック内に格納するはずであった。しかし、フロントボードの大きさの制約があり、7Seg.−Led.の小型のタイプが入手できない事がわかったために、ボードを分離してメインボードとフロントボードを60ピンのコネクタとケーブルで接続する事となった。

 
3KB


3.2機能性能

3.2.1 メインボード

   図7は、メインボードの回路構成図である。ここでは、メインボードの回路を7つに分けてそれぞれの回路の機能等について説明する。


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3.2.2 フロントボード

 フロントボードの回路構成図を図9に示す。ここでは、フロントボードの各回路について説明する。


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3.3 外形

 以下に、メインボードとフロントボードの外形図を示す。


3.4 インタフェース

 以下に、各コネクタのピンアサインを示す。

CON1
 ピン番号 方向※     内容  ピン番号 方向※     内容
 1  ← Vcc 21  − GND
 2  → Handshake 1  22(PB0)  → 4ËÞ¯ÄÃÞ¨¯Ìß½²¯ÁON/OFF(0)
 3 未使用 TIN 23  − GND
 4  ← Handshake 2 ※※ 24(PB1)  → 4ËÞ¯ÄÃÞ¨¯Ìß½²¯ÁON/OFF(1)
 5  ← TOUT 25  − GND
 6(PA0)  ← 7Seg.-Led.data(0) 26(PB2)  → 4ËÞ¯ÄÃÞ¨¯Ìß½²¯ÁON/OFF(2)
 7  − GND 27  − GND
 8(PA1)  ← 7Seg.-Led.data(1) 28(PB3)  → 4ËÞ¯ÄÃÞ¨¯Ìß½²¯ÁON/OFF(3)
 9  − GND 29  − GND
10(PA2)  ← 7Seg.-Led.data(2) 30(PB4)  ← テスト信号入力
11  − GND 31  − GND
12(PA3)  ← 7Seg.-Led.data(3) 32(PB5)  → テスト信号出力
13  − GND 33  − GND
14(PA4)  ← 7Seg.-Led.選択(下位) 34(PB6)  ← 勝敗判定装置ON/OFF信号
15  − GND 35  − GND
16(PA5)  ← 7Seg.-Led.選択(上位) 36(PB7) 未使用 未使用
17  − GND 37  − GND
18(PA6)  ← Red-Led.ON/OFF 38 未使用 Handshake 3
19  − GND 39  ← GND
20(PA7)  ← Green-Led.ON/OFF 40  → Handshake 4 ※※※
※    方向は、”←”CPUボードからメインボードへの入力
         ”→”メインボードからCPUボードへの出力を表す。
※※  Handshake 2の信号は、デコーダのデータラッチのタイミング用である。
※※※ Handshake 4の信号は、押しボタンスイッチのON/OFF信号である。

CON2
 番号 方向※        内容
未使用 未使用
 ← 勝敗判定装置ON/OFF信号
 → 勝敗判定装置ON/OFF信号(折り返し)
※    方向は、”←”勝敗判定装置からフロントボードへの入力
      ”→”フロントボードから勝敗判定装置への出力を表す。

CON3(CON4)
番号 方向※       内容 番号 方向※        内容
 1 未使用 未使用 31 未使用 未使用
 2 未使用 未使用 32 未使用 未使用
 3 未使用 未使用 33  − GND
 4  ← 押しボタンスイッチON/OFF信号 34  → 7Seg.-Led.1信号(a)
 5  ← 押しボタンスイッチON/OFF信号 35  → 7Seg.-Led.1信号(g)
 6  −  GND 36  → 7Seg.-Led.1信号(f)
 7 未使用 未使用 37  → 7Seg.-Led.1信号(b)
 8 未使用 未使用 38  → 7Seg.-Led.1信号(c)
 9  ← 3ピンコネクタ(3) 39  → 7Seg.-Led.1信号(d)
10  ← 3ピンコネクタ(2) 40  → 7Seg.-Led.1信号(e)
11 未使用 未使用 41 未使用 未使用
12  − GND 42 未使用 未使用
13  ← 4ËÞ¯ÄÃÞ¨¯Ìß½²¯ÁON/OFF(3) 43  − GND
14  ← 4ËÞ¯ÄÃÞ¨¯Ìß½²¯ÁON/OFF(2) 44  → 7Seg.-Led.2信号(a)
15  ← 4ËÞ¯ÄÃÞ¨¯Ìß½²¯ÁON/OFF(1) 45  → 7Seg.-Led.2信号(g)
16  ← 4ËÞ¯ÄÃÞ¨¯Ìß½²¯ÁON/OFF(0) 46  → 7Seg.-Led.2信号(f)
17  − Vcc 47  → 7Seg.-Led.2信号(b)
18  → Green-Led.ON/OFF信号 48  → 7Seg.-Led.2信号(c)
19  − Vcc 49  → 7Seg.-Led.2信号(d)
20  → Red-Led.ON/OFF信号 50  → 7Seg.-Led.2信号(e)
21 未使用 未使用 51 未使用 未使用
22 未使用 未使用 52 未使用 未使用
23  − GND 53  − GND
24  → 7Seg.-Led. 0信号(a) 54  → 7Seg.-Led.3信号(a)
25  → 7Seg.-Led. 0信号(g) 55  → 7Seg.-Led.3信号(g)
26  → 7Seg.-Led. 0信号(f) 56  → 7Seg.-Led.3信号(f)
27  → 7Seg.-Led. 0信号(b) 57  → 7Seg.-Led.3信号(b)
28  → 7Seg.-Led. 0信号(c) 58  → 7Seg.-Led.3信号(c)
29  → 7Seg.-Led. 0信号(d) 59  → 7Seg.-Led.3信号(d)
30  → 7Seg.-Led. 0信号(e) 60  → 7Seg.-Led.3信号(e)
※    方向は、”←”フロントボードからメインボードへの入力
         ”→”メインボードからフロントボードへの出力を表す。


4、ソフトウェアビジビリティー

 ここでは、MMIボードのソフトウェアビジビリティーを68230のAポート、Bポートそれぞれ示す。

・Aポート
 Address

Read or

Write

Data

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

 内容
 FDFC11

________

Write

Write

Write

Write

________

Write

Write

Write

Write

________

Write

 ・

 ・

 ・

 ・

Write

GD RD C1 C0 DA DB DC DD

_______________________________

0 0 * * * * * *

0 1 * * * * * *

1 0 * * * * * *

1 1 * * * * * *

_______________________________

* * 0 0 * * * *

* * 0 1 * * * *

* * 1 0 * * * *

* * 1 1 * * * *

_______________________________

* * * * 0 0 0 0

        ・

        ・

        ・

        ・

* * * * 1 0 0 1

GD:GrrenÀÞ²µ°ÄÞ選択

RD:RedÀÞ²µ°ÄÞ選択

C1:7SEG-LED選択(上位)

C0:7SEG-LED選択(下位)

DA:7SEG-LED Data信号(A)

DB:7SEG-LED Data信号 (B)

DC:7SEG-LED Data信号 (C)

DD:7SEG-LED Data信号 (D)

_________________________

GrenÀÞ²µ°ÄÞ消灯

RedÀÞ²µ°ÄÞ消灯

GreenÀÞ²µ°ÄÞ消灯

RedÀÞ²µ°ÄÞ点灯

GreenÀÞ²µ°ÄÞ点灯

RedÀÞ²µ°ÄÞ消灯

GreenÀÞ²µ°ÄÞ点灯

RedÀÞ²µ°ÄÞ点灯

_________________________

20の7SEG-LEDを選択

21の7SEG-LEDを選択

22の7SEG-LEDを選択

23の7SEG-LEDを選択

_________________________

D5,D4で選択した7SEG-LED

に0を表示させる。

      ・

      ・

      ・

D5,D4で選択した7SEG-LED

に9を表示させる。

・Bポート
 Address Read or

Write

    Data

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

   内容
 FDFC13

________

Read

Read

________

Read

Read

________

Read

Read

________

Write

Write

________

Read

 ・

 ・   ・  

Read

PB SH TO TI S3 S2 S1 S0

________________________________

0 * * * * * * *

1 * * * * * * *

________________________________

* 0 * * * * * *

* 1 * * * * * *

________________________________

* * 0 * * * * *

* * 1 * * * * *

________________________________

* * * 0 * * * *

* * * 1 * * * *

________________________________

* * * * 0 0 0 0

        ・

        ・

        ・

* * * * 1 1 1 1        

PB:押しÎÞÀݽ²¯ÁON/OFF信号

SH:勝敗判定装置ON/OFF信号

TO:テスト信号出力

TI:テスト信号入力

S3:4bit½²¯ÁON/OFF信号

S2:4bit½²¯ÁON/OFF信号

S1:4bit½²¯ÁON/OFF信号

S0:4bit½²¯ÁON/OFF信号

__________________________

押しÎÞÀݽ²¯ÁOFF信号

押しÎÞÀݽ²¯ÁON信号

__________________________

勝敗判定装置ON信号

勝敗判定装置OFF信号

__________________________

テスト信号の出力OFF

テスト信号の出力ON

__________________________

テスト信号の入力OFF

テスト信号の入力ON

__________________________

4bit½²¯Áによって0000

(0:10進)が入力

     ・

   ・

4bit½²¯Áによって1111

(15:10進)が入力


5、基板の評価

17KB


 本研究の目的は、1.1にあるように

 @ 新たなMIRSシステムに対応するマン・マシン・インタフェースボード(以下、MMIボードと記す。)を完成させる。
 A いままでのMMIボードよりも高い情報表示、情報入力機能を持つボードを開発する。
 B 新たなMMIボードに関する文書、回路図等の体系化。

である。
 ここでは、それらの目的がどの程度達成できたのかどうか評価する手順とその評価を示す。


6、おわりに

 本卒業研究で新たなMIRSシステムに対応するMMIボードを完成させることができた。しかし、フロントボードの小型化についての問題や各種機能について、まだまだ改良の余地が残っていると思われる。
 本研究の成果を基にして、より高い機能を持つMMIボードが開発されることを期待するとともに、我々が残した資料が、これからのMIRSの発展に役立つことを願う。


謝辞

 最後に、本卒業研究を支え御支援して下さった長澤、川上、澤教官及びMIRS開発に積極的に取り組まれる電子制御工学科の教官・関係者の方々にこの紙上をお借りして、深く感謝するとともに、厚く御礼申し上げます。


参考文献

・VSBC−1 Users Manual


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