沼津高専 電子制御工学科
MIRS9904基本設計書
MIRS9904-DSGN-0001
 
改訂記録
版数作成日作成者承認改訂内容
A012000.02.02若杉小澤初版
A022000.2.04桑名小澤リンク漏れの訂正、細部更新
B012000.04.28小沢小澤動作の変更、それに伴うプログラムの変更、規定変更に伴う細部の変更、外観の変更、他細部変更
B022000.06.15桑名小澤ソフトウェア部の画像(t.gif)変更、タスク変更点改善。また細部更新
B032000.06.27小澤小澤エレクトロニクス回路構成の図の変更、システム構成ツリーにおいて役割を記述

目次

  1. はじめに
  2. システム概要
  3. 諸元
      4. 　
    1. 外観
      1. 2Dの外観
      2. 3Dの外観
    2. 機能性能
    3. 競技中の各部の役割
  4. システムの動作規定
  5. ハードウェア構成
    1. システム構成ツリー
    2. エレクトロニクス回路構成／機能
    3. エレクトロニクス回路基板外形
    4. ソフトウェアビジビリティ
  6. ソフトウェア構成
    1. 動作モード
    2. 開発環境
    3. マンマシンインターフェイス
    4. 試験機能
  7. システム試験
    1. システム試験概要
    2. 試験内容

 
  1. はじめに

    2. 本仕様書はMIRS99競技規定に基づきMIRS9904チームの作成する自立型小型知能ロボットの基本仕様を記述する。

  2. システム概要

    3. ハードウェア

    MIRS9904システムのハードウェアは標準MIRSに準ずる構成を有するが、MIRS9904固有の機能を実現するためにいくつかの変更点がある。以下、標準MIRSと異なる点のみ述べる。

    ソフトウェア

    ソフトウェアは複数のイベントドリブン型のタスクからなり、割り込みおよびタスクの管理はリアルタイムモニタMIRX68Kを用いて実現する。

    システムの動作規定

    MIRS9904システムは、一回目の競技時にあらかじめ定められたルート(fig.２参照)に従って競技場を周り、ポストの存在位置のマップを作成しながらスイッチを押していく。２回目の競技では、開始時に１回目の競技で得たマップ情報をもとに軌道を決定、軌道をトレースしながらポストを獲得する。
     

  3. 諸元

      4. 　

    1. 外観

      1. 外観図(2D)
        fig1にmirs9904の外観図を示す｡

        2. fig.1
      2. 3Dの概観
        3Dで外観図を表現したものをリンクしています(gaikan.html)

    2. 機能性能

      1. CPU
        CPU :MC68HCOOO
        クロック:12.5MHz(16.7MHzに変更可能）
        RAM :SRAM 256KB×2
        ROM :EPROM 128KB
      2. ロータリエンコーダ
        タイヤの回転数（アナログ量）をパルス数（デジタル量）に変換する。
        回転軸の回転速度に比例した、互いに９０°位相の異なる２相の近似正弦波を出力し、２相の位相関係から回転方向が判別する。
        また、２相の信号をカウントして回転数を求める
      3. モータ
        ＤＣモーターは直流モーターのことであり直流電源でまわる。
        大きな起動トルク、出力効率の良さが特徴。関係から回転方向が判別する。
        ＰＷＭ制御からのパルスによってエネルギーを得る。
        このパルス幅を変調することによって、 結果的にモーターへの供給エネルギーを調整することが出来る。
        この制御法は、電力パルスがオンの時だけ モーター電流を流す。
        また、パルスのデューティー比を変えることによって、モーターの回転数が変わる。
      4. I/Osubボード
        PWM回路、超音波センサ回路、タッチセンサ回路の3つの回路を搭載した回路です。
      5. 超音波センサ
        滑らかな平面および直径30cmの円筒側壁と正対した状態で
        測定範囲：0.2[m]以上～3.0[m]
        測定誤差：1[cm]以内
        用いる超音波センサ
        品名 ＭＡ４０Ｂ５Ｒ／Ｓ
        特徴　　　　　　　　汎用・広帯域
        感度　　　　　　　　－４７ｄＢ以上
        音圧　　　　　　　　１１２ｄＢ以上
        指向性（半減全角）　５０°
        静電容量　　　　　　２０００ｐＦ
        分解能　　　　　　　９
        検地距離　　　　 　０．２～６．０ｍ
      6. PI/T
        汎用入出力制御（PIT）部（ＶＩＰＣ３１０）
        双方向の16bitの入出力と24bitダウンカウンタを持つ
      7. I/O ボード
        Input/Output の略。input/outpu、メモリ、割り込みの働きを持つ
        VMEbusと繋がっていて、CPUからの割り込み信号を受け取り処理する。
        製品名称　VIPC310
        搭載するIP(industry puck) Aにロータリーエンコーダボードを、BにIPーDig.48
        サイズ
        縦１７２[mm]
        横１２８．５[mm]（フロントパネル含む)
        厚さ１３．６[mm]
        重さ０．１４[kg]
        使用環境 温度０度～７０度 湿度５％～９５％（結露しない程度）
        ボードのバッテリ ３．３[V]のリチウム電池１６５[mA]ならば１時間流せる
      8. 電源
        下記電池を制御回路用とモータ駆動用にそれぞれ１個づつ計２個使用する。
        公称電圧：7.2[V]
        容量：1700[mAh]以上
        種別：NiCd電池
      9. タッチセンサ
      基本的にタッチセンサは押しボタンスイッチである。
      使用する回路としては、チャタリング除去、同期回路、前縁微分回路、スイッチなどが主である。

    3. MIRS競技中の各部の動作

    タッチセンサ
    1.タッチセンサに障害物が接触　ボタンが押される→　信号の送信
    2.チャタレス回路よりチャタリング除去　整形信号化と同期化を行う
    3.何処の場所のセンサかI/Oボードに知らせる。
    4.前縁微分回路を通過し、割り込みを行う
    5.I/Oボードがタッチセンサの反応を認識する
    マンマシンインターフェースボード
    押しボタンスイッチの押下時ソフトウェアに対し割り込みを発生させ割り込みTasukuを実行できる。
    超音波センサ
    座標確認のために一定周期で座標の測定(超音波の検索範囲は0.2～3.0m)をおこなう。そのとき0.2～0.9m以内のポストの検出をおこなう
    赤外線センサ
    ポストを獲得する動作に入ったときに赤外線の検出をおこなう。
    PWM回路
    デューティー比を変動させることによりmirsの速度、方向の制御をおこなう。

  4. システムの動作規定

    5. MIRS９９０４のシステム（ただいま2つの案があり、考え中です。）基本ルートは図を参照
    ①　(初期動作モード)MIRSが置かれた時点で超音波センサを四方に発信し,それを元に現在位置の座標を割り出す(座標は絶対座標)

    ②競技場の真ん中を進みながらポストを探策する。この時、左右の超音波センサ、8方向の赤外線センサ、前方に取り付けたタッチセンサの3種類のセンサを用いてポストを探す。どのセンサでポストを発見したかによって次の行動が決まる。

    ③ポストがあると認識したら、記憶した座標を元にそのポストが獲得するべきかしないべきか判定。

    ⑥　獲得するべきと判定した場合

    ⑥-1.1（獲得モードⅠ：タッチセンサの反応があった場合）ポストの方向にタッチセンサが反応するまで直進。
    　
    　⑥-1.2　反応したら、その場からMIRSが回転できる距離だけ後退。
    　
    　⑥-1.3　ロータリエンコーダを使用し、ポストの回りをMIRSがその場で回転できるほどの距離を残して
    周回運動をおこなう。この時、円運動せずに、ｎ角形の起動を描いて周るとする。
    　
    　⑥-2.1（獲得モードⅡ：赤外線が検出された場合）赤外線センサにより赤外線＝LEDを検出したらMIRSの向きをLEDの方向に回転させる。

    ⑥-2.2 スイッチに向かいタッチセンサが反応するまで直進。
    　
    　⑥-2.3 タッチセンサが反応したら赤外線センサが赤外線を検出できる距離まで後退する。

    ⑦　（復帰モード）に移り獲得モードⅠの時に進んだ方向と同じ方向に周回運動をし、周回運動を始めた場所まで戻り、基本ルートへ戻る。

    ⑧　（判定モードⅡ）で、すべてのポストを獲得しているか判断。
    　　　⑧-1　獲得してなかったら移動検索モードに戻る。 ⑧-2 すべて獲得していたのならゴール。
    2回目の本選においては、一回目の本選で記憶した座標を元に壁に沿って移動する行動を省き、ポストから次のポストに最短距離で移動できるようにする。
    （全体の大まかな動きはMIRS9904システム開発計画書に動画があるので参照） 

  5. ハードウェア構成

      6.  
    1. システム構成ツリー 下記にシステムの構成を示す。

      2. MIRS9904製造仕様書
      |-MIRS9904組立図
      ||-シャーシフレーム組立図
      |||-シャーシフレーム
      |||-モーターｘ２
      |||-モーター取付金具ｘ２
      |||-可逆モータパワー変換ボード(e)
      |||-タッチセンサ・ロータリエンコーダケーブル(e)
      ||||-マイクロスイッチｘ3(e)
      ||||-コネクタ類(e)
      ||||-ケーブル類(e)
      ||||-ケーブル検査仕様書
      |||-前面タッチセンサ左機構部
      |||-前面タッチセンサ右機構部
      |||-バンパ機構部
      |||-取り付けネジ類
      |||-シャーシフレーム試験仕様書
      ||-電子回路フレーム組立図
      |||-電子回路フレーム(e)
      |||-ラック
      ||||-VMEラック
      ||||-CPUボード（VSBC1）(e)
      ||||-IOボードアセンブリ(e)
      |||||-IOボード（VIPC310）(e)
      |||||-IPDigital48ボード(e)
      |||||-ロータリエンコーダボード(e)
      |||||-ジャンパ設定仕様書(e)
      ||||-IOSubボード(e)
      ||||-MMIボード(e)
      ||||-VMEラックジャンパ設定仕様書(e)
      |||-電源制御基板(e)
      |||-超音波センサｘ４(e)
      |||-赤外線センサｘ８(e)
      |||-ケーブル接続図(e)
      |||-取付金具
      |||-ネジ類
      ||-ケーブル接続図(e)
      ||-電池ホルダ
      ||-取付金具
      ||-ネジ類
      |-電池
      |-ソフトウェアインストール手順書
      ||-MIRS9904.X（プログラムファイル）
      |-MIRS9904試験仕様書
      |-MIRS9904取扱説明書 

      (e)はエレキ担当部品・書類である。また、ケーブルなどメカと役割が重なる場合は共同で製作する。
    2. エレクトロニクス回路構成／機能

      3. fig3.MIRS9904エレクトロニクス回路ブロック

      各部の機能

      1. MPU部

        2. CPU：68k, RAM：512kb, system clock : 16MHz,RTC 等 の機能を持つ。
      2. 汎用入出力制御（PIT）部 (IP-Dig.48 Board)

        3. 各センサとの入出力の制御と、24bitカウンタの機能を持つ。
      3. ロータリエンコーダ制御部

        4. モータの回転数を測定。また、タッチセンサの信号処理も行う。
      4. PWM回路部 (I/O sub,MPC)

        5. この回路は、モータを制御する信号であるＰＷＭ信号を作り出し、方向データと共に出力する回路である
      5. 赤外線センサ部

        6. 赤外線センサ回路、赤外線センサ周辺回路からなり、競技場内の円柱に取り付けられたLEDから発せられる赤外線を感知する。
      6. 超音波センサ部

        7. 発信機と、受信機からなり超音波が発信機から出て壁や、円柱等に当たって反射波となった波を受信機で受ける。
      7. タッチセンサ部

        8. 障害物との衝突をマイクロスイッチにより検出。信号をロータリエンコーダ制御回路に送る。
      8. タッチセンサボード

        9. ８個のタッチセンサからの信号から有益な3ビット（8通り）の情報を絞り出すチャタリング除去回路を含むボードである。
      9. I/Oボード部

        10. インプット/アウトプット、メモリ、割り込みの働きを持つ。ボード上でのバッテリーによるバックアップが可能である。
      10. I/Osubボード部

        11. I/Osubボードは超音波センサ回路、PWM回路、赤外線センサ回路を搭載したボードである。
      11. マンマシンインターフェース部

        12. ソフトウェアから自由に表示内容を設定できる４桁の７segLEDを有する。4bitのロータリDIPスイッチと押しボタンスイッチを一つ有する。スイッチの状態はソフトウェアから読むことができる。また、押しボタンスイッチの押下時ソフトウェアに対し割り込みを発生することができる。また、赤と緑のLEDを１つずつ持つ。
      12. 緊急停止装置部

        13. MIRSを緊急停止させるスイッチをもつ。モータ駆動のための電源スイッチを切ることで緊急停止させる。
      13. ＰＤ（電源制御部）

        14. 各部回路、駆動系への電力の供給を行う。ロック式の回路電源スイッチと、ノンロック式の駆動系電源スイッチを持つ。
    3. エレクトロニクス回路基板外形
      1. 下記についてはVMEハーフハイト基板仕様に従う。
        • CPUボード（VSBC1）
        • IOボード（VIPC310）
        • IOSubボード
        • マンマシンインタフェースボード
      2. 下記についてはIOボード(VIPC310)インダストリパック仕様に従う。
        • IPボード（IPDigital48）
        • ロータリエンコーダボード
      3. 下記については標準MIRS基板を使用するのでMIRSデータベースを参照すること。
      4. 以下はmirs9904の作成した調査報告書である。
      5. 緊急停止装置

        6. 標準MIRSの勝敗判定装置をベースにして作成。赤外線ランプの回路を無くし、停止装置としてのみの機能を残す。
  6. ソフトウェアビジビリティ
    本システムのソフトウェアビジビリティは標準MIRSソフトウェアビジビリティ（現在作成中）の仕様と同一である。但し、各センサの位置とIOポートアドレスの対応は下表による。(超音波センサに関しては番号(選択信号2bit）のみ）
    7. センサIO port Address/bit備考
    超音波センサ
    (選択信号）
    (下位3bit)     		右2 (010)
    左3 (011)
    前0 (000)
    後1 (001)
    赤外線センサ右後0xfc6153/5
    右前0xfc6153/4
    左後0xfc6153/3
    左前0xfc6153/2
    前右0xfc6153/1
    前左0xfc6153/0
    タッチセンサ右から1番目0xfc6003/4
    右から２番目0xfc6003/5
    右から3番目0xfc6003/6
    前右0xfc6003/7
    前左0xfc6003/8
    左から3番目0xfc6003/9
    左から2番目0xfc6003/10
    左から1番目0xfc6003/11

    1. ソフトウェア構成



      fig.4 

      本戦1回目

      状態状態要約遷移状態条件
      電源ＯＦＦ何もできない初期設定リセット電源投下
      初期設定リセットすべての値をリセット位置確認電源投下もしくは例外処理復帰後
      位置確認超音波を発信
      座標割り出し      		移動検索座標検索が終了下のちこのモードに移る
      エラー座標不明
      移動検索TYPE A
      X軸の中心を軌道上とし、Y軸に平行移動を行う。
      X軸での作業が終わったらY軸の中心
      軌道上とした、X軸に平行移動を行う
      TYPE　B
      X軸の中心を軌道上とし、Y軸に平行移動を行う。
      壁へと近づいたら90°回転し      		判別 1タッチセンサON
      判別 1超音波発信
      ポストと壁の判別      		回避 1判別 1 == 壁
      判別 2判別 1 == ポスト
      回避 1方向転換を行う移動検索回避行動が終了したという信号
      ポスト判定ポストの座標から
      獲得の有無を判別      		移動検索ポストのある座標が記憶座標と一致
      獲得動作1ポストのある座標が記憶座標と一致しない
      獲得動作１ポストのある座標まで移動獲得動作2ポスト判定==FLASE
      獲得動作2赤外線の反応を求めて、
      ポストの周りを周回運動を行う
      ただし、2周しても、赤外線の反応が無い場合には、
      座標を記録し直し、
      復帰モードに遷移      		獲得動作3獲得動作1が終わったという信号
      獲得動作3赤外線が検出された方向に向きを変え、前進。
      後退、赤外線の検出確認
      赤外線が検出されなくなるまで
      繰り返す      		復帰赤外線の検出あり
      復帰記録してある座標の位置まで戻る移動検索獲得動作３、もしくは２からの信号
      例外処理 必要最低限のデータを残してリセットなどし（しない可能性もあり）、元の状態に戻れるようにする。 位置確認 エラー信号あり

      表１.本戦1回目動作遷移表

      　

      本戦二回目

      状態 状態要約 遷移状態 条件
      電源ＯＦＦ 何もできない 初期設定リセット 電源投下
      初期設定リセット 必要なデータを残し、リセットを行う 目標割り出し 初期設定リセット終了
      目標割り出し 一回戦で得たLEDの座標データを元にもっとも近い（直線距離で）LEDの割り出し 移動ルート計算 目標決定
      移動ルート計算 目標値から位相ルートの計算をする
      （但し、X,Y座標に対して平行または垂直な経路を採用      		 移動 計算終了
      移動 目標のLEDのあるポールまで移動する 獲得動作 ポールにぶつかりタッチセンサON
      獲得動作 ポールの周りを回ってLED検索 LED獲得 LED発見
      LED獲得 LEDのスイッチを押し消灯する LED消灯確認 スイッチを押す
      LED消灯確認 後退しながらLEDの消灯を確認する 目標割り出し LED消灯確認

      表2.本戦2回目動作遷移表


    1. 開発環境
      MIRSのソフトウェアは、標準として”自律小型知能ロボットMIRS用リアルタイムモニタ「ＭＩＲＸ６８Ｋ」”を用いて開発される。

      fig.5タスク構成図
      1. 低レベルタスク
        • task00：初期化タスク 起動時に不要な値をリセットし、次の行動に備える。
        • task01：赤外線センサタスク　赤外線センサ割り込みが入るごとに、センサ状態を読み取りBBに書き込む。
        • task02：超音波センサタスク 4つの超音波を順に動作させ距離情報をBBに書き込む。このタスクは電源投入時に起動され、常時測定を行っている。超音波発信したのち、タスクは開放され割り込み待ちになる。注）超音波受信もしくはタイムアウトにより再起動され距離を計算する。したがって常時計測を行っていてもこのタスクがCPUを占有することはない。

        • task03：タッチセンサタスク　どのタッチセンサが反応があったかを調べ、回避タスクへとその情報を送る
        • task04：ロータリーエンコーダタスク ロータリーエンコーダの値を取り、BBへと書きこむ。その情報は自己位置検索タスクにて座標計算二つ買われる
        • task05：PWMモータ駆動タスク タスク起動時に受け渡される引数によって指定される左右車輪の速度データをPWM回路に書き込む。
      2. 高レベルタスク
        • task06：自己位置検出タスク 一定時間ごとに起動され、ロータリエンコーダの値から自己位置のx､y座標と姿勢角をBBに書き込む。また、過去の座標の値を別のBBへ一度退避させる。
        • task07: 軌道計算タスク 現在の座標、過去の座標を元に、どのような軌道をとるか計算する。これはいったん行動計画タスクへと送られ、そこから軌道移動タスクへと送られる
        • task08 :軌道移動タスク 計算された値を元に、その軌道を移動する。座標を元に正しい経路をとおっているか確認する
        • task10: 軌道復帰タスク ポストをとり終えたという条件の元に実行される。ポスト獲得前の座標へと戻ろうとする
        • task11: 回避タスク 壁にあたる、もしくは軌道上に障害物があるときに実行される。
        • task11:試験走行タスク試験走行用のタスク。各種試験を行うもの。
      3. メインタスク 　　　　　
        • task13：行動計画タスク MIRS本体の行動を決定する。状態遷移図の通り動作させる。
        • task14 :例外処理タスク 不正処理があったとときにできうる回復処理を行う。
      4. マンマシンインターフェース

      マンマシンインタフェースとして以下の機能を具備すること。
      表示機能
      各センサの状態、自己位置、姿勢角および動作状態の表示。この表示は競技モードにおいても可能とする。ハートビート表示（プログラムが正常に動作していることを示すために、緑色LEDを点滅させる）。
      動作モード設定機能
      DIPスイッチによるセンサ試験モード、試験走行モード、競技モード１（一回目競技用）および競技モード２（２回目競技用）の設定。
      スタート機能
      押しボタンスイッチにより動作開始の指示。
      • 試験機能

      下記の試験機能を有する。
      • 各センサの状態を表示する機能。
      • 左右車輪の回転数と回転方向を独立に試験する機能。
      • 一辺１ｍの正方形をトレースする機能。
      • 半径１ｍの円をトレースする機能。

    7.システム試験

    1. システム試験概要システム試験はシステムの組立が完了した段階で、基本設計書の内容に適合しているかどうかを試験する。システム試験を実施する際には、各サブシステムで規定されるサブシステム試験に合格していなければならない。試験は以下の項目について行われる。
      • 外形試験
      • センサ機能試験
      • 規定走行試験
      • 競技プログラム試験


    2. 試験内容下記仕様書による。MIR9904システム試験仕様書(作成中)
      システム試験仕様書の作成はMIR99システム試験仕様書作成規定に従うこと。


    関連文書