沼津高専 電子制御工学科
MIRS0205基本設計書
MIRS0205-DSGN-0003
改訂記録
版数 作成日 作成者 承認 改訂内容
A01 2003.1.1 全員 齋藤 初版
A02 2003.2.12 全員 齋藤 仕様の修正
A03 2003.11.21 全員 齋藤 ソフトウェアビジビリティの修正
A04 2004.01.16 佐野 藤田 齋藤 白線センサ、概観図の変更

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
    3. マンマシンインタフェース
    4. 制御回路
    5. 電源制御機能
    6. 電源
  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
    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. モードのフローチャート
    4. モジュール定義
    5. モードの構成要素
  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MIRS2002競技規定に基づきMIRS0205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
  1. ハードウェア

    MIRS0205システムのハードウェアは標準MIRS（注１）に準ずる構成を有するが、MIRS0205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。 （注１）標準開発ドキュメントは MIRSATLM ドキュメント管理台帳 を参照のこと。

  2. 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、白線センサ、PSD 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。

  3. 競技会行動計画

    1. 1回目は競技場のポストがある可能性の場所を4分割したルートを走行する。
    2. 競技開始位置の座標を(0,0)に設定する。
    3. 基本走行ラインを走行しながら、センサ類を駆使してポストを探索する。
    4. ポスト発見時はポストに向かい、ポストに接触しないでポストから5cmの場所で一旦停止する。　　
    5. ポストを中心に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番号を確認する。
    6. ポストの番号が獲得可能番号であればエアシリンダで獲得する。
    7. ポストの番号が獲得可能番号以外であればポストの位置と番号を記憶する。
    8. もし、ポスト番号の確認が出来なければ、そのポストの位置と「不明ポスト」という情報を記憶する。
    9. ポストを獲得、または確認次第基本走行ラインへの復帰を行う。 　　
    10. 白線上を進むときにx軸方向の誤差を補正する。(場合により、白線の角でy軸方向の誤差を補正するかもしれない。)
    11. 基本走行ラインを1周して全ポストの番号確認が完了していれば、未獲得ポストの獲得に向かう。このときは、確認したポストの位置を頼りに接近し、ポスト付近にきたら再探索して確実にポストを見つけて獲得し、次のポストへは最短距離で移動するようにする。 　　
    12. 全ポストの確認が完了していなければ、基本走行ラインをもう一周し、未確認ポストの確認に向かう。ただし獲得、確認済みのポストは無視する。一周し終わったら、全ポストの確認が出来ていてもいなくても、未獲得ポストの獲得に向かう。このときは同様に、ポスト間を最短距離で移動してポストを獲得する。
    13. 2回目の競技では基本走行ラインは走行せず、始めから1回目で確認したポストの位置を頼りに接近し、ポスト付近にきたら再探索して確実にポストを見つけて獲得し、次のポストへは最短距離で移動するようにする。

    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

  1. 外観

    図1に本システムの外観を示す。



    図1. MIRS0205外観図

    　
  2. 機能性能

    　
  3. 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 ten 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。
    　
  4. 制御回路
    　
  5. 電源制御機能
      制御回路用の電源とモータ・電磁バルブ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）：
        制御回路用とモータ、電磁バルブ駆動用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・電磁バルブ用の電源を投入する。
        強制停止スイッチ（ノンロック型）：
        モータ・電磁バルブ用の電源を切断する。
    　
  6. 電源
      下記電池を制御回路用(5V)に1個、モータ駆動用(5V)、電磁バルブ駆動用(24V)に2個の計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

  1. システム構成ツリー





    2. 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. MIRS0205エレクトロニクス回路ブロック

    各部の機能
  3. CPU ボード部 (CPU)
    i486 133MHz
    Memory 16MB
    SVGA chip
    10M Ethernet
    ISA bus
    AMD社製AM486DX5-133（SQFP）を実装
    2次キャッシュ・メモリは256KB内蔵し、システムメモリとしてAT-461VREPは最大64MBのD-RAMが搭載可能。
    LCDの駆動可能。
    MIRS0205CPUボード調査報告書

  4. 記憶装置
    Flush memory 64MB (IDE ディスク互換）

  5. FPGA ボード部 (FPGA)
    標準ゲート数 10,000
    RAMビット数：6,144
    ユーザI/O数：134,ISA bus
    FPGAボードを使って以下の機能を実現する。
    • タッチセンサ
      マイクロスイッチを用い、スイッチ押下時のチャタリングを除去した信号を送る。障害物に衝突した場合、MIRSがこれを認識するためにこれを使用する。
    • 赤外線センサ
      赤外線センサ回路は赤外線センサの受光素子から送られてくる信号を処理し、信号に状態変化が起きたときに割り込み要求信号をCPUに送る機能を有する。
    • 液晶表示ディスプレイ制御
      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、20文字2行表示可能。
    • 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
      ISAバスから送られるアドレスによって、FPGAチップ内に構成される他のモジュールの選択を行う。
    • モーターパワー制御
      駆動モータのスピード、回転方向を制御する。CPUから送られてくる速度データの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。
    MIRS0205FPGAボード調査報告書

  6. ドータボード部 (DB)
    FPGAボードで行っているATL-MIRS独自の入出力機能を制御するためのボード。この機能を実現するために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）を供給する。
    • 液晶ディスプレイボードのコントラストアジャストを行う。
    • 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。
    • 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。
    • 電源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。
    MIRS0205ドーターボード調査報告書

  7. 液晶ディスプレイ部(LCD)
    MIRSの状態を表示する。
    MIRS0205LCD調査報告書

  8. 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。

  9. 赤外線センサ(IRS)
    ポストから発信される赤外線信号を受信し、信号を電圧に変換する。
    MIRS0205赤外線センサ調査報告書
    　　
  10. 白線センサ
    フィールドの白線を感知したとき、信号を送る。
    MIRS0205白線センサ調査報告書

  11. タッチセンサ(TS)
    ポストに接触したとき、ポストを認識する。
    MIRS0205タッチセンサ調査報告書

  12. ロータリーエンコーダー(RE)
    モータの位置、速度を検出して制御部に情報を伝達する。
    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ているもので、2相の信号をカウントして回転数を求めることができる。
    MIRS0205ロータリーエンコーダ調査報告書

  13. 電磁バルブ
    空気の流れを制御し、エアシリンダを駆動する。駆動には24Vが必要。

  14. エアシリンダ制御ボード
    電磁バルブのON／OFFを制御する。

  15. PSD
    三角測量の原理を用いた測距センサユニットである。測定時には5Vが必要。
    MIRS0205PSD調査報告書
    　　
  16. PICボード
    PSDから送られてくる信号をA/D変換し、そのデータをCPUに送る。
    MIRS0205超音波センサ調査報告書

  17. 電源ボード
    回路用電源（5V）とモータ用電源（5V）と電磁バルブ駆動用電源（24V）を作り出す。




    18.

  18. エレクトロニクス回路基板



    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。
    2. CPU ボード仕様（暫定版） MIRSATLMーDSGN-0003
    3. FPGA ボード（暫定版） MIRSATLMーDSGN-0003
    4. モータパワー制御ボード製造仕様書 MIRSDBMD-SBRD-0800
    5. 赤外線センサボード製造仕様書 MIRSDBMD-SBRD-0500

    6. ドータボード
    7. 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。
    8. 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。
    9. 外形図を以下に示す。詳細については詳細設計図で示す。


      図3. ドータボード外形


    10. PIC･電磁バルブ駆動用ボード（省スペース化のため一つのボードに2つの回路を載せる）
    11. ISA ラックに収納可能なこと。
    12. 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。
    13. 外形図を以下に示す。詳細については詳細設計図で示す。


      図4. PIC･電磁バルブ駆動用ボード外形


    14. 電源ボード
    15. ケーブルの取外しが容易であること。
    16. 標準電源ボードに24Vを発生させるDC/DCコンバータを追加する。詳細については詳細設計図で示す。


  19. ソフトウェアビジビリティ



    20. 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（暫定版）の仕様を基本とし、MIRS0205の各センサの個数に合わせて、変更する。

      5 ソフトウェア
      1. 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

      2. 動作モードとその遷移
        • 動作モード
          MIRS0205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モード。

        2. ポスト検索モード
          PSDセンサから赤外線を出しながら、基本走行ライン上を前進し、MIRS周辺にポストがないか検索するモード。

        3. ポスト接近モード
          mirsの正面をポストの中心に向け、ポストとの距離が50mmになるまで直進するモード。

        4. ポスト番号認識モード
          mirs本体が右に回転し、左側面をポストの中心に向け、ポストとの距離を50mmに保ちながらポストの周りを反時計回りで回る。その際、mirs本体の左側面に設置した赤外線センサでそのポストの赤外線を受信し、赤外線の番号を記録するモード。

        5. ポスト獲得モード
          mirsの左側面をポストのスイッチがある部分に向け、エアシリンダーを使いスイッチを押す。そして確実にポストを獲得できたかをタッチセンサと赤外線センサを使い確認するモード。

        6. 基本走行ライン復帰モード��
          ポスト接近モードを経て来た場合で基本走行ラインに戻るモード。

        7. 基本走行ライン復帰モード��
          ポスト接近モードを経ていない場合で基本走行ラインに戻るモード。

        8. ポスト回避モード
          ポストとの距離50mmまで近づき、ポストをまわる距離が短くて済む方にmirsを回転させ、ポストと50mmの距離を保ったままポストの周りを回り、本来の進路に戻るモード。

        9. ポスト間移動モード
          今mirs本体がいる場所から次に獲得すべきポストに向かって、直線に進行するモード。

        10. 緊急モード
          走行時に白線を検知したら。またはmirs前部、後部のタッチセンサが押されたらもう一度最初からやり直すモード

        11. バックアップモード
          エアシリンダーがうまく作動しないときにmirsが前面でスイッチを押すモード

        12. 勝利モード
          フィールド上の全てのポストを獲得したときにアピールするモード。　

        13. お手上げモード
          終了１０秒前に、残りのポストの獲得が不可能な場合にアピールするモード。
          　　
        14. 総合試験モード
          試験走行用のモードで各種試験を行うモード。

          　　


        • モードのフローチャート

          図4. モード遷移図

          モード遷移表
          遷移後
          ------
          遷移前           		待機モード ポスト検索モード ポスト接近モード ポスト番号認識モード ポスト獲得モード 基本走行ライン復帰モード�� 基本走行ライン復帰モード�� ポスト回避モード ポスト間移動モード 緊急モード バックアップモード 勝利モード お手上げモード
          待機モード − スタートボタン押下 × × × × × × × × × × ×
          ポスト検索モード × − 側面にポスト発見 進行方向にポスト発見 × × × × 最後のポストを確認 白線を検知 or TSが反応 × × 競技時間終了直前
          ポスト接近モード × × − ポストとの距離が50mm × × × × × 白線を検知 or TSが反応 × × ×
          ポスト番号認識モード × × × − 獲得可能ポスト 獲得不可ポスト
          （ポスト接近モードを経て来た場合）           		獲得不可ポスト
          （ポスト接近モードを経ていない場合）           		× × 白線を検知 or TSが反応 × × ×
          ポスト獲得モード × × × × − 獲得確認
          （ポスト接近モードを経て来た場合）           		獲得確認
          （ポスト接近モードを経ていない場合）           		× 獲得確認
          （ポスト間移動モードを経て来た場合）           		白線を検知 or TSが反応 獲得確認できず 全てのポストを獲得 ×
          基本走行ライン復帰モード�� × 復帰 × × × − × × × 白線を検知 or TSが反応 × × 競技時間終了直前
          基本走行ライン復帰モード�� × 復帰 × × × × − × × 白線を検知 or TSが反応 × × 競技時間終了直前
          ポスト回避モード × × × × × × × − 回避 白線を検知 or TSが反応 × × 競技時間終了直前
          ポスト間移動モード × × × 目標ポストに到達 × × × 進行方向に獲得不可ポストが存在する − 白線を検知 or TSが反応 × × 競技時間終了直前
          緊急モード × スタート可能地点に帰還 × × × × × × × − × × 競技時間終了直前
          バックアップモード × × × × × 獲得確認
          （ポスト接近モードを経て来た場合）           		獲得確認
          （ポスト接近モードを経ていない場合）           		× 獲得確認
          （ポスト間移動モードを経て来た場合）           		白線を検知 or TSが反応 − 全てのポストを獲得 ×
          勝利モード × × × × × × × × × × × − ×
          お手上げモード × × × × × × 　　　 × × × × × × −


        • モジュール定義

          • 直進モジュール
            定義 ： mirsを直進させるモジュール。
            API ： PWM/エンコーダAPI
          • 自転モジュール
            定義 ： mirsを指定した角度、その場で回転させるモジュール。
            API ： PWM/エンコーダAPI 　
          • 公転モジュール
            定義 ： mirsを指定された半径の円の円周上を弧を描き進ませるモジュール。
            API ： PWM/エンコーダAPI 　
          • 赤外線受信モジュール
            定義 ： ポストからの情報を受信、記録するモジュール。
            API ： 赤外線センサAPI
          • 電磁弁開閉モジュール
            定義 ： エアシリンダーを始動させるための電磁弁を開閉するモジュール。
          • 白線検知モジュール
            定義 ： mirsの下の白線を検知するモジュール。
            API ： 白線センサAPI 　　
          • タッチセンサ検知モジュール 定義 ： mirsが接触したことを検知するモジュール。
            API ： タッチセンサAPI
          • 総合試験モジュール
            定義 ： 試験走行用のモジュール。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。
            API ： 全てのAPI
        • モードの構成要素

          • 待機モード
            ・・・なし
          • ポスト検索モード
            ・・・直進モジュール、自転モジュール、タッチセンサ検知モジュール、白線検知モジュール、PSDセンサAPI
          • ポスト接近モード
            ・・・直進モジュール、自転モジュール、赤外線受信モジュール、タッチセンサ検知モジュール、白線検知モジュール、PSDセンサAPI
          • ポスト番号認識モード
            ・・・自転モジュール、公転モジュール、赤外線受信モジュール、タッチセンサ検知モジュール、白線検知モジュール、PSDセンサAPI
          • ポスト獲得モード
            ・・・電磁弁開閉モジュール、赤外線受信モジュール、タッチセンサ検知モジュール、白線検知モジュール
          • 基本走行ライン復帰モード��
            ・・・直進モジュール、自転モジュール、公転モジュール、タッチセンサ検知モジュール、白線検知モジュール、PSDセンサAPI
          • 基本走行ライン復帰モード��
            ・・・直進モジュール、自転モジュール、公転モジュール、タッチセンサ検知モジュール、白線検知モジュール、PSDセンサAPI
          • ポスト回避モード
            ・・・自転モジュール、公転モジュール、タッチセンサ検知モジュール、白線検知モジュール、PSDセンサ API
          • ポスト間移動モード
            ・・・直進モジュール、自転モジュール、タッチセンサ検知モジュール、白線検知モジュール、PSDセンサ API
          • 緊急モード
            ・・・直進モジュール、自転モジュール、公転モジュール、タッチセンサ検知モジュール、白線検知モジュール、PSDセンサAPI
          • バックアップモード
            ・・・直進モジュール、自転モジュール、タッチセンサ検知モジュール、白線検知モジュール
          • 勝利モード
            ・・・直進モジュール、自転モジュール、公転モジュール、電磁弁開閉モジュール、タッチセンサ検知モジュール、白線検知モジュール、PSDセンサAPI
          • お手上げモード
            ・・・直進モジュール、自転モジュール、公転モジュール、電磁弁開閉モジュール、タッチセンサ検知モジュール、白線検知モジュール、PSDセンサAPI 　　
          • 総合試験モード
            ・・・総合試験モジュール

            6 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。

            2. システム試験詳細

              システム試験の詳細は、下記の試験仕様書に記載される。
              MIR0205システム試験仕様書

            関連文書