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tutebot実現

 
　tutebot（チュートボット）は、MITのロボット工学を
　専攻する学生が実習で作成する自走式ロボット。




　tutebotは、壁づたいに移動して部屋のドアから
　外にでることを、試行錯誤しながら実現します。

　tutebotは、ブレッドボードに実装した回路で動作。
　その回路は、以下。



　半田付けした基板は、次の写真で示すようになっています。



　左の２ピンをマイクロスイッチに、右の２ピンをモータに接続。

　用意したメカで、マイクロスイッチを接続すると、以下。
　（プラ板にマイクロスイッチをつけてます）



　プラスチックケースに基板を入れ、メカの上に取り付け。
　（このプラスチックケースは、電子回路専用）




　剥き出しの基板では、衝突時に破損することもあります。
　電子部品の破損、配線ワイヤー切断等が考えられます。

　移動中に、アクシデントが発生しても、ボックス内に
　回路があれば、様々な不具合発生を回避できると判断
　しています。

　マイクロスイッチを使い、障害物に衝突すると後退。
　このとき、左右のモータの回転時間に差があるので
　前進を再開したときには、衝突の前とは少し異なる
　角度で移動。

　前進→衝突→後退を何度か繰り返すと、衝突しない
　経路を見つけ出します。これが、知的動作に見える
　ので、知能を考えるキッカケを与えられます。

　tutebotは、アナログ回路でモータの回転を制御すると
　ともに、知的動作をRC積分回路で実現。

　tutebotを、ライントレーサのメカを使い
　エミュレートしてみます。

　tutebotでは、モータの回転数を細かく制御できないので
　カクカクした動きになります。タイムチャートでみると
　以下。



　後退は、キャパシタに蓄えた電荷を放電するまで続きます。
　放電時間は、左右で異なるので、右あるいは左に曲げながら
　後退します。

　カクカクした動きは、ラインを探しているように見えるので
　考えているようには、思えますが、時間を無駄にしていると
　も言えるので、滑らかに動けるようにします。

　センサーは６個利用して、床面の状況を表現する
　情報量を増やしておきます。

　使うセンサーは、以下。




　本来は、黒白を判定しますが、物体が近づいていると
　白黒は、無関係に何かあるという信号を出力。

　このセンサーを、床面ではなく、壁に向かうように
　シャーシの前面に配置して対応。

　10ピンケーブルに、次のように信号が配置されています。

 1 Vcc
 2 sensor_7(MSB)
 3 sensor_6
 4 sensor_5
 5 sensor_4
 6 sensor_3
 7 sensor_2
 8 sensor_1
 9 sensor_0(LSB)
10 GND

　MSBとLSBを、ポートCに接続。

 1 Vcc           : Vcc
 2 
 3 
 4 
 5 
 6 
 7 
 8 sensor_7(MSB) : PORTC.B1
 9 sensor_0(LSB) : PORTC.B0
10 GND           : GND

　モータには、PWM波形を送ればよいので
　ポートBにドライバ基板を接続。
　ピンアサインは、以下。

 1 Vcc             : Vcc
 2 LED(red)        : PORTB.B4
 3 LED(green)      : PORTB.B3
 4 mode_switch
 5 start switch    : PORTB.B0
 6 
 7 motor_driver    : PORTB.B2
 8 
 9 motor_driver    : PORTB.B1
10 GND             : GND

　ドライバ基板は、以下を利用。



　ドライバ回路では、PWMの波形を１回路につき１出力と
　なっているので、リレーのNC、NOの接続を次のように
　変えます。また、後退制御をマイコンで扱えるように
　しておきます。



　追加したデバイスを半田付けすると、以下。



　センサーからの信号で、壁がありと判定したなら
　次のシーケンスを動かせばよいでしょう。

    

  1. PWM波形出力停止

  2. reverse controlに論理値の'1'を与える

  3. PWM波形出力再開

  4. 時間待ち

  5. PWM波形出力停止

  6. reverse controlに論理値の'0'を与える

  7. PWM波形出力再開


　reverse controlには、利用していないポートCの
　いずれかのピンに接続すればよいでしょう。

　ピンアサインは、以下。

 1 Vcc             : Vcc
 2 
 3 
 4 
 5 
 6 
 7 reverse control : PORTC.B2
 8 sensor_7(MSB)   : PORTC.B1
 9 sensor_0(LSB)   : PORTC.B0
10 GND             : GND

　接続ピンを決めたならば、Forthで使うワードを
　定義していきます。

　ポート初期化

　　ポートBは、LSBだけ入力で他は出力。
　　ポートCは、LSBとその上のビットが入力で他は出力。
　　この設定をひとつのワードで指定。

: init.tutebot ( -- )
 $00 PORTB c! $fe DDRB c!
 $00 PORTC c! $fc DDRC c!
;

　センサー入力

　　ポートCのLSBとその上のビットが入力になっているので
　　どちらかに論理値の'1'があれば、フラグに'1'を設定と
　　しておきます。

: cur.sensor ( -- x)
 PINC c@ 3 and 0 = if 0 else 1 then
;

　　結果を示す論理値は、スタックに入れておきましょう。

　前進と後退の指定

　　ポートCの2ビットが、前進と後退の制御トランジスタに
　　接続されているので論理値を出力することで対応。

: set.fwd ( -- )
 PORTC c@ $04 or PORTC c!
;

: set.rev ( -- )
 PORTC c@ $fb and PORTC c!
;

　PWM波形生成

　　ポートBの2、1ビットが、タイマー１のアウトプット
　　コンペアマッチ出力なので、その使い方を指定。

: init.timer1 ( -- )
  $06 DDRB c@ or DDRB c!
  19999 ICR1 !
  %10100010 TCCR1A c! \ both pin impress low on compare matched
  %10 3 lshift %11 or TCCR1B c! \ /64 = 250kHz
;

　　次にPWM波形のDUTY比を設定するワードを定義。

: set.duty ( x -- )
  dup 400 * swap 400 *
  OCR1A ! OCR1B !
;

　動作シーケンス

　　後退動作をひとつのシーケンスとして定義。

: do.rev
  0 set.duty  \ stop
  set.rev     \ set reverse direction
  50 set.duty \ resume
  3000 MS     \ delay
  0 set.duty  \ stop
  set.fwd     \ set forward direction
  50 set.duty \ resume
;

　　動作をポートの入出力、DUTY比設定を含めて
　　もう一度考えてみます。

    

  1. ポート初期化

  2. DUTY比設定

  3. PWM波形出力開始

  4. 前進設定

  5. センサー値を入力し、判定フラグが１なら後退処理、０なら前進処理

  6. ステート５に戻る


　　tutebotの動作としてまとめます。

: run_tutebot
  init.tutebot
  50 set.duty init.timer1
  set.fwd
  begin 1 while
    cur.sensor 0 = if set.fwd else set.rev then
  repeat
;

　PWMを利用してのスピード制御が必要ないなら
　移動は、次のワードで充分。

: move.rev
  set.rev \ set reverse direction
  3000 MS \ delay
;

: move.tutebot
  init.tutebot
  set.fwd
  begin 1 while
    cur.sensor 0 = if set.fwd else move.rev then
  repeat
;

　値の入れ替え処理は、配列を使うと扱いやすくなります。

　２進数でセンサー入力とモータ制御出力の
　相関関係をリストすると、以下。

00(input) : 11(output)
01(input) : 10(output)
10(input) : 01(output)
11(input) : 00(output)

　入力を10進数で書き直してみると
　次のようになります。

0(input) : 11(output)
1(input) : 10(output)
2(input) : 01(output)
3(input) : 00(output)

　モータ制御のピンアサインは、以下。

 1 Vcc             : Vcc
 2 LED(red)        : PORTB.B4
 3 LED(green)      : PORTB.B3
 4 mode_switch
 5 start switch    : PORTB.B0
 6 
 7 motor_driver    : PORTB.B2
 8 
 9 motor_driver    : PORTB.B1
10 GND             : GND

　ポートＢの２、１ビットに値を出力すれば
　モータは回るので、配列には10進数で値を
　格納しておいて、それを出力するとよいと
　考えます。

　配列のインデックスと格納値の10進数
　で対応は、以下。

0(index) : 3
1(index) : 2
2(index) : 1
3(index) : 0

　配列の値格納は、次のようにすれば充分。

create MOTV 4 allot
3 MOTV 0 + c!
2 MOTV 1 + c!
1 MOTV 2 + c!
0 MOTV 3 + c!

　センサーから０から３の値を入力できたとき
　モータを動かすワードを定義すればよいはず。

: SND.MOT MOTV + c@ 1 lshift PORTB c@ $06 and or PORTB c! ;

　このワードを使って、センサーから
　路面情報を取得し、移動を制御する
　には、次のようにタイプ。

PINC c@ $03 and SND.MOT

　動かすには、ループを構成します。

: MOVE.TUTEBOT
begin
  PINB c@ 1 and
  while
    PINC c@ $03 and SND.MOT
    1000 MS
repeat
;
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