ホビーユーザ向けの小型自律ロボットといえば、スリーディのワクチン君が代表選手でしょう。充電池内蔵、PIC マイコンでの制御、光センサでライントレース可能と、机の上だけでロボットプログラミングを楽しむことが出来ます。が、自分のオリジナルを作りたい、マイコンくらいは自分でチョイスしたいという欲望が抑えきれず、購入まで至りません。秋葉原のツクモロボコンマガジン館では、そのワクチン君の駆動系ユニットだけを単体販売しています。これを使えば小型ロボット自作の一番の関門をクリア出来る！と思っていた時に、ちょうどタカラがデジＱを発売してくれました。
デジＱは赤外線でリモコン操作可能なチョロＱで、複数動作を可能にする MICRO IR 技術が内蔵の CPU に実装されています。リモコン自動車にしては珍しく、戦車のように左右の車輪をそれぞれ別々のモータで駆動しています。これはもうマイコン繋いで自分でモータを回すしかないですよねえ。赤外線でコントロールというのも、マイコン野郎の解析ゴコロをくすぐります。既に赤外線の魔術師 K.I 氏やひろつく氏といったその道のエキスパートが、バリバリ料理しています。
似たようなタイミングで TOMY から BIT CHAR-G なる超小型ラジコンが発売されています。デジＱと違い、周波数固定の無線操縦、本物の自動車と同じく前輪で舵を切るタイプです。デジＱが元マイコン少年の為のオモチャとすれば、BIT CHAR-G は元ラジコン少年の為のオモチャと言えるのでしょうか。もちろん BIT CHAR-G も購入しましたが、分解したいという欲求は余り感じられず、普通のラジコンとして楽しんでいます。
制御基板の解析
何はともあれ、分解します。ボディとシャーシの固定ネジは、ネジ穴が三角形の特殊ネジでした。PEGA-BT700 分解の為に秋葉原の千石電商で購入した、特殊ドライバセットの中の三又ドライバが役に立ちました。ネジを外し、上部の赤外線受光モジュールを押し込みながら後部のツメを外すことで、ボディがシャーシから分離します。デジＱの分解過程については、分解くんページにも同じような写真を掲載しています。
次に制御基板の解析です。テスタと目視で大枠の結線を理解し、解析メモにまとめました。基板上面に載っているのが CPU で、おそらく東芝の 4bit マイコン TMP47C201M だと思われます。2.4V の充電池出力を昇圧した 5V 弱の電圧が、CPU の pin16 に供給されています。基板の裏側には三洋のモータドライバ LB1836M が載っており、こちらは充電池の 2.4V がそのまま電源に供給されていました。CPU の I/O pin11〜14 が、モータドライバの IN1〜4 に接続されており、ここを乗っ取ればモータの制御が可能となります。
CPU を基板から剥がしてみました。ハンダ吸取り線を使って CPU 足と基板電極の間のハンダを減らし、コテで足を暖めながら、てこの原理で足を持ち上げていくと、簡単に CPU を取り外すことが出来ます。赤外線モジュールも、今回は不要なので取り外します。CPU の足が付いていた pin8(GND), pin11〜14(モータドライバ制御) の５つの電極をマイコン評価ボードと接続することで、簡単にモータを回すことが出来ました。
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11月2日時点でのデジＱ制御基板解析メモ (2KByte TEXT ファイル)
マイコンと Treva を搭載
さて、このサイズにマイコンを搭載しようとすると、結構大変です。秋月電子通商にて販売している QFP 版 TinyH8 ボードでも、はみ出してしまいます。PIC12C509 や AVR AT90S2323 といった 8pin DIP マイコンを使うのが良さそうですが、外付け発振子を含めると、結局それなりの大きさになってしまいます。
しかし、このような事例に最適なものがあります。Cygnal 社の 8051 互換マイコン C8051F300 です。これは 3mm 四方の超小型パッケージ内に Flash ROM 8KByte、RAM 256Byte、25MHz 8051 コア、2% オシレータを内蔵し、3V の電源をつなぐだけで 24.5MHz での動作が実現出来ます。それだけでもスゴイのですが、内蔵周辺も充実していて、16bit タイマ３本、UART、I2C、アナログコンパレータ、そして変換速度が 500Ksps な A/D コンバータ 8ch 内蔵という素晴らしさ。実際には全ての機能を同時には使えず、８本の I/O 端子を共用するのですが、それにしてもこのクラスの他のマイコンを凌駕する機能が 3mm 四方のパッケージに入っているのには驚きです。
さらに Cygnal 社の Web ページでは、チップ単体だけでなく $99 の開発キットを購入することが出来ます。この開発キットはアセンブラと評価版のＣコンパイラが同梱され、GND 含めて３本 CPU と結線をするだけで、シリアルアダプタを介したオンチップデバッガによるソースコードデバッグが可能になります。これはもう世界中のマイコン野郎は即買いモノですねえ。国内では三洋が販売をしており、こちらも Web ページから購入することが出来るようです。
この CPU の大きな欠点は、ハンダ付けの難しさです。チップ表面に 0.5mm 間隔で並べられた幅 0.23mm の電極への結線が要求されます。CPU を１つ授業代に充てたおかげで経験値を得ることが出来、ようやくユニバーサル基板上への取り付けが出来るようになりました。私が取った方法は次のようなものです。まず CPU をユニバーサル基板の部品面上に仮固定します。ポリウレタン線(UEW)を予備ハンダし、基板上の穴を貫通させた状態で、予備ハンダした CPU 端子に仮止めをします。UEW が貫通している穴のランド部分をハンダ付けして UEW を固定し、もう一度 CPU の電極にじっくりはんだコテをあてて、確実にハンダ付けを行います。そしてランド面側の UEW の一端を予備ハンダして、他の部品と結線します。キモは、如何に UEW を固定して CPU とハンダ付けするか、一度 CPU とハンダ付けしたら動かさないようにするか、だと思います。
さてデジＱに C8051F300 を搭載してみます。まず電源です。悩んだ末に、昇圧された 5V 弱の電圧を 3.3V 用３端子レギュレータ NJM7202 で 3.3V に落としたものを供給しました。モータドライバとは P0.0〜P0.3 の I/O ポートを、モータドライバ LB1836M の IN1〜IN4 に接続します。結線は取り外した東芝 CPU の電極を介するのが簡単です。デバッガ接続用に P0.7 と RST と GND の３本をステレオジャックに接続しました。充電用に極性統一ジャックを基板上に固定し、デジＱ制御基板上の充電端子ハンダ部分にピンヘッダを取り付けて、CPU 基板をここに差して固定しました。
次は Treva の搭載です。松下の feel H" 端末 KX-HS100 のモックアップから取り外した４極ピンジャックを充電池の前に両面テープで固定しました。最初はピンジャックを上に向けていたのですが、紆余曲折の末、見てくれ重視で上下反対となりました。Treva と C8051F300 との結線は、Treva の DOUT を P0.5 と、CLKIN を P0.4 と結線するだけです。Treva の電源には 3.3V ３端子レギュレータの出力を供給しました。
このままでは前輪が無いのでシャーシ下面が接地してしまいます。ボディ固定用のネジ穴に、東急ハンズで購入したすべり鋲を差してみました。この時すべり鋲を浅く差すことで前方を持ち上げました。これにより重心が多少後ろになり、駆動輪の接地摩擦を向上させることが出来ました。
ボール追跡
完成した台車を動かしてみましょう。とりあえずワンパターンですがテニスボール追跡で遊んでみることにします。まずは TinyH8 の時と同じように C8051F300 単体で Treva からの画像取り込みとテニスボール認識をテストしてみます。評価ボードに Treva を取り付け、シリアルポートを通じて TinyH8 の時に作成したPC ソフトに画像データを転送します。試しにフレームレートを測ってみた所、テニスボール認識を含めて約 6fps という結果が得られました。24.5MHz 動作の威力絶大です。
次にデジＱモータ制御部分の検討です。タイマ割込みを使って８段階の PWM を実装し、速度を可変できるようにしました。実際に動かしてみると、2/8〜3/8 といった Duty 比でようやく制御できそうな速度になりました。また片方の PWN Duty 比を一定間隔で増加させる補正処理を組込み、直進性を向上させました。
以前作ったボール追跡ソフトの反省を活かし、今回は状態遷移数を増やしてボールを見失ってもそれらしい動きをするようにして見ました。この部分のプログラミングが今回一番楽しいひとときでした。やはり安定した台車を用意して、その動きを考えるのはマイコン野郎の醍醐味といえるでしょう。
このサイズの自律移動ロボットを自分がこんなにお手軽に作成できるようになるとは想像もしていませんでした。もはや Treva すら大きく感じられます。現在の問題点は充電方法です。とりあえず 5V アダプタを充電端子に直結していますが、すぐに充電池が熱くなってしまいます。この辺の問題をクリアし、さらに消費電力を低減させつつ、次なる目標に向かってソフトで楽しみたいと思っています。
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C8051F300 用 Treva 画像転送ソフト (8KByte LZH 圧縮)
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C8051F300 用テニスボール追跡ソフト (9KByte LZH 圧縮)
さて取得した画像データを検討する事にします。例によって VisualBasic で作成した処理方法検討用プログラムを使用して、処理方法を検討してみます。
