目次

1. はじめに
2. システム概要
   1. ハードウェア
   2. ソフトウェア
   3. 競技会行動計画
3. 諸元　
   1. 外観
   2. 機能性能
4. 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
5. ソフトウェア構成
   1. ATL-MIRS 標準 ライブラリ
   2. 動作モードとその遷移
   3. モジュール定義
   4. ソフトウェア構成
   5. モードの構成要素
   6. 試験機能
6. システム試験
   1. システム試験概要
   2. システム試験詳細

1 はじめに

本仕様書はMIRS2001競技規定に基づきMIRS0102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

• ハードウェア

• 本体の左に2個右に1個の超音波センサを有する。（なお右に設置した超音波センサは左へ、左に設置したものは右へ発信する。）
• 前方に1個、左に2個の赤外線センサを有する。
• 前方に2個のタッチセンサを有する。
• 本体底面の四隅に1個ずつ白線を感知するためのセンサを有する。
• センサ合計個数は、超音波センサ3つ、赤外線センサ3つ、白線センサ4つ、タッチセンサ2つである。

1. ソフトウェアRT-Linux (Ver.2.3) を OS とし、Linux のユーザプロセスとして行動制御プログラムを起動する。赤外センサ、タッチセンサからの入力は、行動制御プログラムから、定期的にドライバーを呼び出すことにより監視する。走行系の制御と超音波センサの制御は、RT タスクによって行い、RT-FIFO を介して必要なデータ通信を行う。

   プログラムは、C 言語でコーディングする。

2. 競技会行動計画
   1. まず競技開始位置より最初のコーナーへ移動し、そこの座標を(0,0)とする。
      
   2. 白線の外へ出ないように一定の距離をおいて競技場を時計回りに走行する。
      
   3. 一周目ではポストの位置を確認して記憶、二周目では記憶したポストの位置まで行き、赤外線の番号を確認する。三周目で獲得しに行く。
      
   4. 左の超音波センサによりポストの探索を行う。
      
   5. 赤外線の番号確認及びポスト獲得時は、ポストを反時計回りに円運動しつつ、左の赤外光検出センサによりスイッチを発見する。
      
   6. 番号を確認ししだい、ルートへの復帰を行う。
      
   7. 超音波測距センサとロータリエンコーダによって一度獲得したポストかどうかの判断を行う。
      
   8. 早さよりも確実性を重視した行動を目標とする。
      

   行動計画の詳細は、行動計画提案書に記載されている。

3 諸元

• 外観

図1. MIRS0102外観図

• 機能性能

• 外形：縦横32[cm]×32[cm]、高さ32[cm]以内に収まること。
• 走行性能

  最高速度：1[m/sec]

  最小回転半径：20[cm]

  ライントレース精度：1[m]の直線をトレースしたとき、移動中の左右のシフトが±10[cm]以内で、左右の方向のぶれが±10[度]以内であること。また、目的地点での停止位置が半径10[cm]以内の円内にあり、方向は±10[度]以内にあること。

  　
• 超音波測距センサ性能

  直径20cmの円筒側壁と正対した状態で

  測定範囲：0.2[m]以下〜1.8[m]以上

  測定誤差：3[cm]以内

  　
• 赤外光検出センサ性能競技規定のポストが発光する赤外線の正面40cm以内に接近したときこの赤外線を検出できること。　
• 前面バンパ型タッチセンサバンパの形状は外形図を参照すること。バンパーはマシンに対して前後方向に移動可能とし、通常はばねにより前方に押し出されている。可動ストロークは1cm程度とする。バンパを押し込むのに必要な圧力はパーソナルコンピュータのキーボードを押下する程度の圧力で接触を感知できること。　
• マンマシンインタフェース

  表示機能：

  接続された LCD （20文字x2行）に、ソフトウェア制御による表示が可能なこと。

  入力機能：

  PS/2 インターフェイスから接続された 10 キーからの入力により、ソフトウェアの複数の競技モードと試験モードの切り替え、およびシャットダウンが可能であること。

  　
• 制御回路
  電源制御回路とバンパのフォトインタラプタ回路以外は、標準MIRSの回路を使用する。主要回路基板は４スロットの ISA ラックに搭載され、ISAバスにより接続される。標準MIRSの回路基板の機能性能は下記のMIRSデータベースを参照すること。
  • MIRSATLM電子回路基板設計書
  　
• 電源制御機能
  制御回路用の電源とモータ駆動用の電源は完全に分離されていなければならない。電源は以下のスイッチによりコントロールされる。

  メインスイッチ（ロック型）：

  制御回路系のモータ系すべての電源を投入／切断する。

  スタートスイッチ（ノンロック型）：

  モータ系の電源を投入する。

  強制停止スイッチ（ノンロック型）：

  モータ系の電源を切断する。

  　
• 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

4 ハードウェア構成

• ハードウェア構成ツリー

  下記にハードウェアの構成を示す。
  

  1. 設計は基本的にツリーの上位から行われ、組立は下位から行われる。

  2. 組立の順が狂ってはならない。とくに前段階で組み立てたものをその上の段階に組み立てるときに分解等の作業があってはならない。

  3. 電子回路も機構もソフトもこのツリーに包含されていなければならない。

  4. 試験検査仕様書や取扱説明書をも含んでいなければならない。

  MIRS0102製造仕様書 |- MIRS0102組立図 | |- ケーブル接続図 | |- 電池ホルダ | |- 取付金具 | |- ネジ類 | |- 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 | | |- タッチセンサ・ロータリエンコーダケーブル | | | |- マイクロスイッチｘ2 | | | |- コネクタ類 | | | |- ケーブル類 | | | �� 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 | | |- 側面タッチセンサ左機構部 | | |- 側面タッチセンサ右機構部 | | |- 前方バンパ機構部 | | |- 後方バンパ機構部 | | |- フォトインタラプタ回路基板 | | |- 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 | |- ISA ラック | | |- CPU ボード | | | �� フラッシュディスク | | |- FPGAボード | | | �� ドータボード | | |- テンキー | | |- 液晶ディスプレイボード | | �� 電源制御基板 | |- ロータリエンコーダ | |- 超音波センサボード | | �� 超音波センサ | 赤外線センサボード | | |- 赤外線センサ | | �� 白線探知赤外線センサ | |- 電子フレーム部ケーブル接続図 | | |- コネクタ類 | | |- ケーブル類 | | �� ケーブル検査仕様書 | |- 取付金具 | �� ネジ類 |- 電池 |- MIRS0102システム試験仕様書 |- MIRS0102取扱説明書 | �� ソフトウェア |- FPGA回路データ | |- インストール手順書 | �� 取扱説明書 �� 行動制御プログラム |- インストール手順書 �� 取扱説明書

  1. エレクトロニクス回路構成／機能
     図2.MIRS0102エレクトロニクス回路ブロック
     各部の機能
     1. ＜CPUボード＞
        MIRSの情報処理、姿勢制御、駆動制御など各種演算を行うためのCPUを積んでいてISAラックに積みこむことができ、ISAバスに差し込みが可能。
        MIRS0102のCPUボード調査報告書
        
        
     2. ＜フラッシュディスク＞
        MIRS0102の記憶装置としてハードディスクの役割を果たす。(64MB)
        
        
     3. ＜FPGAボード＞
        
        • ＜タッチセンサ・赤外線センサ・パワーオン信号＞
          赤外線センサボードから送られてくる断続的なパルスの引き延ばしを行う。
          タッチセンサ、赤外線センサ、パワーオン信号処理モジュールは5つのタッチセンサ信号、4つの赤外線センサ信号、1つのパワーオン信号の3種類13bitの信号16bitのTIPデータに変換してCPUに出力し、それらの入力に変化があった時に割り込み信号を発生させるためのものであり、FPGAボード内のFPGAチップに構成される。
          
        • ＜超音波センサ信号＞
          MIRSATLM FPGAボード超音波センサモジュールは超音波センサボードで超音波の送受信を行うためのものであり、FPGAボード内のFPGAチップに構成される。
          
        • ＜ロータリーエンコーダ信号＞
          MIRSATLM FPGAボード モジュールはモータの回転数をカウントし、移動した距離の計測や自己位置を認識する行うためのものであり、FPGAボード内のFPGAチップに構成される。
          
        • ＜液晶表示ディスプレイ制御＞
          MIRSATLM FPGAボード液晶ディスプレイ制御モジュールはLCDの制御を行うためのものであり、CPUから送られてくる8bitの液晶ディスプレイボード制御信号の出力制御を行う。FPGAボード内のFPGAチップに構成される。
          
        • ＜ハードウェア割り込みの処理＞
          必要によってCPUに対して割り込み信号を出力する。
          
        • ＜FPGA内の各入出力機能の制御＞
          MIRSATLM FPGAボードアドレスデコーダはISAバスから送られるアドレスにより、FPGAチップ内に構成される他のモジュールの選択を行うためのものであり、FPGAボード内のFPGAチップに構成される。
          
        • ＜モーターパワー＞
          MIRSATLM FPGAボード モータパワー制御モジュールは駆動モータのスピード、回転方向を行うためのものであり、CPUから送られてくる速度データをPWM変換し、同じくCPUから送られてくる方向データと共に出力する。FPGAボード内のFPGAチップに構成される。
          
     4. ＜ドーターボード＞
        
        MIRSATLM ドーターボードは、FPGAボードで行っているATLMIRS独自の入出力機能の制御を補助するためのボードである。この機能を実現するためにMIRSATLM ドーターボードは以下のような機能を持つ。
        
        
        • ドーターボードを通してFPGAボードにつながる各基板に電源（5V GND）を供給する。
        • 液晶ディスプレイボードのコントラストアドジャストを行う。
        • タッチセンサ（マイクロスイッチ）から入力されるスイッチ入力のチャタリング除去を行う。
        • 超音波センサ選択信号によって選択された超音波センサをFPGAボードの超音波センサ信号処理モジュールに接続する。
        • FPGAボードから送られてくるMPC信号を用いて、MPCボードのフォトカプラを動作させる。
        • PDボードから送られてくる駆動系電源ON信号からパワーオン信号を作ってFPGAボードに出力する。
        
        MIRS0102のFPGAボード調査報告
     5. ＜電源ボード＞
        電源制御ボードは、主に２つの機能を持つ。 1.各ボードの電源として＋５Ｖの電圧を出力する回路。 2.非常停止スイッチ用コネクタにより、モーターの電源のみをカットする事を可能にする。
        
        MIRS0102の電源ボード調査報告
     6. ＜モータパワー制御ボード＞
        電源ボードは以下の性能を有する。 7.2Vニッカド充電電池から供給される7.2Vを電子回路系用の+5Vに変換する。 7.2Vニッカド充電電池から供給される7.2Vを緊急停止スイッチを介してモータパワー制御ボードへ供給する。 駆動系電源の状態を出力する。
        
        
     7. ＜テンキー＞
        MIRSの電源のON/OFF、プログラムやモードの切り替えをするときに使う。
        
        
     8. ＜超音波センサ＞
        MIRSATLM 超音波センサボードは、ボード１つにつき超音波センサが一対搭載され、FPGAの超音波センサ選択回路により選択されると超音波の送受信が行われる。この回路は、ゲートを組み合わせた送信回路と、オペアンプをつかった増幅回路を持つ受信回路、コンパレータを使った比較回路の3つの回路からなる。
        
        MIRS0102の超音波センサ調査報告
     9. ＜液晶ディスプレイ＞
        実行中のモードやプログラムなど、MIRSの状態を表示することでMIRSの走行試験などで正しい動作をしているか確認する。
        
        MIRS0102の液晶ディスプレイ調査報告
     10. ＜ロータリーエンコーダ＞
         タイヤの回転数（アナログ量）をパルス数（デジタル量）に変換し、回転方向と回転数を求めることができる
         
         MIRS0102のロータリーエンコーダ調査報告
         ＜モータ＞
         MIRSの駆動系としてギアを間に入れてタイヤを付けて使用する。MIRS0102ではそれを二つ使って両タイヤをPWM制御によって制御する。
  2. エレクトロニクス回路基板

     回路基板の外形と取り付け穴位置、コネクタ位置、センサ取り付け位置などを図を用いて示す。この内容をもとに機構の設計を行うので、よく検討して後の変更が無いように作成しなければならない。

     1. 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。
        • CPU ボード仕様（暫定版） MIRSATLMーDSGN-0003
        • FPGA ボード（暫定版） MIRSATLMーDSGN-0003
        • モータパワー制御ボード製造仕様書 MIRSDBMD-SBRD-0800
        • 赤外線センサボード製造仕様書 MIRSDBMD-SBRD-0500
        • 超音波センサボード仕様（暫定版）MIRSATLM-DSGN-0003
        • 電源ボード仕様（暫定版）MIRSATLM-DSGN-0003
     2. ドータボード
        • FPGA の20pin ジャンパコネクに接続したとき、ISA ラックに収納可能なこと。
        • IO 接続がコネクタが ISA ラックの外に出て、ケーブルの取外しが容易であること。ただし、不必要にラックの外に飛び出さないこと。
        • ボード外形を図3に示す。
          図3. ドータボード外形図
          
  3. ソフトウェアビジビリティ

     ソフトウェアビジビリティとは、ソフトウェア（プログラム）から見たとき、ハードウェアにどうアクセスするのかを示したものである。 本システムのソフトウェアビジビリティはATL-MIRSソフトウェアビジビリティの仕様と同一である。

5 ソフトウェア

• ATL-MIRS 標準 ライブラリATL-MIRS用に開発された標準ライブラリを使用する。
  ATL-MIRS 標準 ライブラリユーザマニュアル（現在作成中）
  参考 MIRSATLM ソフトウェア仕様書
  1. 動作モードとその遷移
     • 動作モード

       MIRS0102では以下のモードを定義する。

       1. 待機モード
          ・・・メインプログラムを立ち上げ、スタートスイッチが押されるまでの待機状態に入る。
       2. 初期動作モード
          ・・・スタート位置から左へ９０度回転し前進、白線を感知したところでとまり１０cm後退し右９０度回転、後退し白線を感知したところで止まり、その地点を（０，０）とする。
       3. ポスト探索モード
          ・・・白線に沿って競技場を時計回りに進行しながら、MIRS左側に設置した超音波測距センサにより、ポストの探索を行う。ポストを発見したらそのポストの位置を記憶する。（記憶するのは超音波センサで測ったMIRSからポストまでの距離とロータリーエンコーダの値。）
       4. 直線移動モード
          ・・・白線に沿って競技場を時計回りに進行しながら、ポスト探索モードで記憶した位置まで移動する。
       5. ポスト接近モード
          ・・・ポストへと直進接近する。この時MIRS前面に設置した赤外線センサが反応した場合、特別モードへ移る。そうでなければ前面部タッチセンサがぶつかるまで直進、その後ポストの中心を見つけてから数cm後退したところでポスト獲得モードへ遷移する。
       6. ポスト獲得モード
          ・・・まず右に90°回転。ポストを反時計回りに周回する。 そして、MIRS左側に設置した赤外線センサによりスイッチの探索を行う。その後発見したスイッチが獲得すべき番号であれば獲得する。
          獲得した後、周回し始めた地点へ戻る。　
       7. 特別モード
          ・・・ポスト接近モードでポストへ接近中に赤外線を感知した場合に、その赤外線の番号を認識する。その番号が獲得すべき番号であればポストを獲得。そうでなければルートへ戻る。
       8. ポスト探索ルート復帰モード
          ・・・ポストを獲得した後、ポスト探索ルートへと移動する。
       9. ポスト位置移動モード
          ・・・最後の移動モード。位置判断モードによって判断された次に取るべきポストの位置まで移動する。このときはメモリに格納されているポストの位置と超音波センサと両方使って移動する。
       10. 総合試験
           ・・・試験走行用のモードで各種試験を行うもの。試験内容はシステム試験仕様書による。

           　

     • モード遷移
       図4. モード遷移図
       なおスイッチ探索モード以外には赤外線の感知を行わない！

       モード遷移表

       遷移前＼遷移後	待機モード	初期設定(動作)モード	ポスト探索モード	獲得判断モード	ポスト接近モード	ポスト獲得モード	ポスト探索ルート復帰モード
       待機モード	−	スタートスイッチ押下	×	×	×	×	×
       初期設定(動作)モード	×	−	スタート位置を(0,0)と設定。スタート位置から20cm後退し左へ 90°回転。	×	×	×	×
       ポスト探索モード	×	×	−	超音波測距センサによりポスト発見！	×	×	×
       獲得判断モード	×	×	獲得済と判断。	-	未獲得と判断。	×	×
       ポスト接近モード	×	×	×	×	−	タッチセンサにより目標ポスト発見！	ポストを見失う。
       ポスト獲得モード	×	×	×	×	×	−	スイッチを押し、赤外線の反応が消えたのを確認。
       ポスト探索ルート復帰モード	×	×	ポスト探索ルートへと到着！	×	×	×	−

  2. モジュール定義
     • 初期動作モジュール
       定義：スタート後90°左回転し、白線まで前進。その後数ｃｍ後退し、90°右回転。白線まで後進した後、数ｃｍ前進するための関数郡。
     • 位置修正モジュール
       定義：現在位置を(0,0)と修正するための関数郡。
     • 直線移動モジュール�T
       定義：赤外線センサが白線を感知するまで直進する。この間、超音波を出してポストの位置をメモリに記憶させる。
     • 直線移動モジュール�U
       定義：1周目でメモリに記憶した位置まで移動して90°右回転する。もし途中で白線に到達したことを感知したら、数ｃｍ後進後90°右回転。
     • ポスト接近モジュール
       定義：ポストへと直進、接近し、前面部タッチセンサが反応するまで前進する。その後中心を得てから数ｃｍ後進、90°右回転。
       直進する途中で赤外線を受信したらポスト接近特別モジュールへと入る。
     • ポスト接近特別モジュール
       定義：赤外線センサが受信した番号を認識し、その番号が獲得すべき番号なら獲得してから白線まで後進してルート復帰。そうでなければそのまま後進してルートへ戻る。
     • ポスト周回モジュール
       定義：一定の距離を保ちながら、ポストの周りを周回する。その間に赤外線を感知したら番号を識別。とるべき番号であれば獲得する。回転し始めた場所へ帰ってきたら90°右回転し、ルート復帰モジュールへ移行する。
     • ルート復帰モジュール
       定義：ポストより白線に向かって直進。白線を感知したら数ｃｍ後進、90°右回転する。
     • ポスト位置判断モジュール
       定義：次に獲得すべきポストの位置を判断し、競技場内を右回りするか左回りするかを決定するための関数郡。
     • ポスト移動モジュール
       定義：次のポストまで、途中白線に沿ったルートで移動するための関数郡。
     • 場外防止モジュール
       定義：白線に沿って直進中に白線センサが反応したら、数ｃｍ後進して調整する。

  3. モードの構成要素
     1. 待機モード
        
        
     2. 初期設定(初期動作)モード
        ・・・初期動作モジュール、PWM/エンコーダ API、白線センサ　API
     3. ポスト探索モード
        ・・・超音波センサ API、PWM/エンコーダ API、直線移動モジュール�T、白線センサ　API 　
     4. 直線移動モード
        ・・・直線移動モジュール�U、PWM/エンコーダ API、白線センサ　API
     5. ポスト接近モード
        ・・・ポスト接近モジュール、赤外線センサ API、タッチセンサ API、PWN/エンコーダ　API
     6. ポスト獲得モード
        ・・・ポスト周回モジュール、超音波センサ API、赤外線センサ API、PWN/エンコーダ　API
     7. 特別モード
        ・・・ポスト接近特別モジュール、赤外線センサ　API、PWN/エンコーダ　API
     8. ポスト探索ルート復帰モード
        ・・・ルート復帰モジュール、白線センサ　API、PWN/エンコーダ　API
     9. 位置判断モード
        ・・・ポスト位置判断モジュール
     10. ポスト位置移動モード
         ・・・ポスト移動モジュール、白線センサ　API、PWN/エンコーダ　API、超音波センサ　API
     11. 総合試験
         ・・・総合試験モジュール、すべてのAPI
         

  4. 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。

6 システム試験

• 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
    ・・・規定内の大きさに収まって、寸法は計画どおりか。取れそうな部品はないか。
  • センサ機能試験
    ・・・プログラム通り正確に機能するか。また誤差はどれくらいあるのか。
  • 規定走行試験
    ・・・MIRSがプログラムどおりしっかり走行できるか。
  • 競技プログラム試験
    ・・・競技用のプログラムに誤りはないか実走する。

• MIRS0102 行動計画提案書(MIRS0102-DSGN-0001)
• MIRS0102 システム開発計画書(MIRS0102-PROJ-0001)