フォトセンサの光軸確認

全日本大会の技術交流会で一部のマウスのフォトセンサ用赤外線を見て遊んでいたが、その方法を紹介する。

マウスのフォトセンサはなかなか難しく、素子の選定、回路や定数もさることながら、レイアウトをどうするかも悩ましい。 小さい素子を使うと半値角が大きかったり、側面から散乱する光も気になる。 高強度の発光素子はだいたい赤外エミッタであり、その発光状態は人の目では確認できない。

いいカメラはしっかり赤外光をカットしているので見えないが、ちょっと甘いカメラだとわずかに見えることがある。 本来普通のカメラに使われる撮像素子は可視光域から近赤外域まで感度があり、光学フィルタによって赤、緑、青だけを通すようにしてカラー画像を作っている。 そのフィルタが甘いと赤外光が見えてしまうということになる。

つまり、余計なフィルタがないカメラだと赤外光が見えるということになる。 通常、フィルタは素子と一体になっているはずなのでフィルタの除去はできないが、どうも安いWEBカメラはカラーフィルタとは別に赤外フィルタを設けているらしい。 確かに安い光学フィルタだと青だけ通すバンドパスフィルタであっても実は赤外域も通ってしまうというのはよくあることなのでありうる話だとは思う。

試しにということで、手元にあった サンワサプライの 400-CAM103 というWEBカメラを分解してみると、それっぽいのが貼り付けてあった。しかも、わりと雑に貼り付けてあるだけなので簡単に外すことができる。

これを外してみると...見える。

なるほど。こういう光が出ているのか。

赤外光だけを見ることができると諸々の確認はしやすくなる。そこで、可視光カットフィルタ（Fujifilm, IR 76）をかませてみる。

それらしく赤外光だけが見えた。なお、ここでは紫っぽい色に見えているが、RGBフィルタのどれが赤外光をどの程度通すのかはカメラ次第なので違うカメラを使うと色としての見え方は変わるはず。

これで見えるには見えるが、ISOや露光などがオートだと明るすぎる。カメラが勝手に調整してしまうのが厄介なので、マニュアル設定できる適当なソフトウェアが何かないか探したところ、 OBS Studio が良さそうだったので試した。 カメラのプロパティ内「映像を構成」から自動を解除することができた。これで露出を下げると、わりと壁全体を照らしているのがわかる。

可視光カットフィルタを外すと、多少は可視光も見えるが、マウスからの赤外線の方がずっと強いことも確認できた。実際にはパルス発光なので瞬間的な明るさはさらに強く、通常の室内環境だと外乱光の影響はなさそう。

再び可視光カットフィルタを入れて路面の反射を見てみると、そこそこ照らされている。防ぎようはない気がするが、こういうのを把握しておくことは重要。

また、カメラから外した赤外カットフィルタっぽい板は確かに赤外光をカットしている。

20年マウスやっててはじめてちゃんとマウスの赤外発光状況を可視化した。

昇圧と小モジュールギヤ

今年度は主に3点うまくできるかわからない新しいことを試し、なんとかかたちにすることができてその効果も発揮できた。それらが認められてニューテクノロジー賞をいただいた。

1つ目は昇圧回路を搭載してパワーを引き出したこと。昇圧ICにはLT8337-1を使った。 昨年も昇圧は試したが、パワーを引き出せず、あまり効果はなかった。 今年は1次側に流れる大電流を考慮してパターンを太くしたりバッテリから近くしたりと改善した。 バッテリコネクタも大きくてじゃまではあるがEHコネクタを使って接触抵抗による損失を減らした。 ICについてはON抵抗が小さいことも重要だが、スイッチング損失も無視できない。 このあたりはまだ最適ではない気がする。回路はデータシートに従った。 また、かなり発熱するので放熱は重要かもしれない。 ただピーク電流が流れるのは短時間なのでたいして問題にならないかもしれない。 連続で流すと150℃とかまで上がるが、走行時に熱起因で昇圧が止まることがあるのかはよくわからない。

2つ目は慣性モーメントを減らす部品配置をしたこと。 最近はターンが速いこともあり相当なトルクがないと旋回できない。 モータを中心付近に配置するのに、内歯車を使いたかったので製作してみた。 内歯車のインボリュート曲線ってどうなってんの？と思いながら加工プログラムを作り直すのはやや大変だったが、問題なく作ることはできる。 ただ、噛み合い状態が見えないのでギヤ間の距離あわせが非常に難しかった。

3つ目はトルクをかせぐために減速比を大きくしたこと。 タイヤ径約13mmに対して、減速比6.8を実現した。 昨年までモジュール0.2の歯車を使っていたが、より小さいモジュールを採用しないと成立しないため、 モジュール0.144で設計した。（中途半端なのはおおよその設計が終わってから大きさを変えずにモジュール変更するため。） 0.2mm径のエンドミルで0.144モジュールの歯車を加工した。標準的な歯車の歯たけはモジュールの2.25倍だが、そうすると歯元が折れそうに細くなるので1.9倍にとどめた。 完全な歯車ではないが普通に走っているので大丈夫らしい。 ギヤ間距離の調整はおそろしく大変だった。きつい。 あと、暴走するとピニオンの歯が消える。これはソフトウェアも変更し、暴走しないようちょっと外れたらすぐ停止するようにした。

いろんな部品を何度も加工したこともあり、今年（今年度ではなく今年...）はエンドミルをかなり折った。0.1mm1本、0.2mm2本、0.5mm1本。 小モジュール歯車ははじめ0.1mmのエンドミルで加工を試みたが、普通に折れた(CNCはオリジナルマインドのKitMill BT100）。 切削パラメータを見直せば加工できる可能性はあるが、加工に時間がかかりすぎるのと、次折れたらを考えたときに財布へのダメージも大きいが、なによりも心も折れそうなのでやめた。 0.1mmは加工パラメータが不十分なので仕方ないが、ほかは人の不注意で折ったもので正しく加工プログラムが動いている限りは折れない。

全日本大会

デンソーカップからゆっくりと（いやいきなり32区画迷路というかなり飛ばし気味で）始まった今シーズンもようやく終わった。 今年はここ10年の中で一番時間をかけて開発した。おかげでしんどい。でも進んだ。

（徹夜はもちろんのこと、）前日にノイズ対策したり、歯車切削したり、スタートから出られないバグと戦ったり、例年通りぎりぎりだったが、 ここまでに時間をかけていたこともあり全体としては安定した機体を作ることができた。 結果、しっかり走った。期待を上回る結果だと思っている。

第45回全日本マイクロマウス大会
東京流通センター
2025年2月23日

競技	ロボット名	記録（秒）
マイクロマウス競技ファイナル	こじまうす20	5.028	第2位、ニューテクノロジー賞

20周年なので集大成を作りたいと思っていたが、無難な構成で完成度を高めるというようなことはせず、結局いろんなことに挑戦して苦労しすぎた。 その結果がニューテクノロジー賞として評価してもらえてうれしい。

うまくいく年もあればそうでない年もある。当日朝の試走でバグがあるのを見つけていたので、それが発現しなかったのは運が良かった。 逆にレアなバグにあたるマウスや迷路との相性が悪いマウスもいた。 10年以上のベテランで唯一無二のマウスでもゴール座標を間違えたりする。 今回最短走行ができなかったマウスの中でいくつかは非常にきれいな探索走行をしていたのが印象に残っている。 それらを見ていると、表面的には2位の順位がついたが、実力はもっと低いと感じている。

最後に、あるマウスは強烈なプレッシャーのかかる状況でどう判断するか非常に難しかったと思うが、昔のプログラムに戻さず修正したつもりバージョンを採用した、と聞いたとき、やっぱそうこなくっちゃと思った。 自分でもそうすると思う。

大会前日

今年も大会前日ぎりぎりになっても結局十分な調整ができていない。

ハードウェア完成後も次々にいろいろな問題が発生し、高度に動くものを作ることの難しさを感じる。

まず、レイアウトの都合で内歯車にしてみたところ、噛み合い状態がよく見えず、なかなか調整がうまくいかなかった。

ピニオンもたくさん作った。暴走したときに歯が削れてなくなるのでその都度再切削...POMだと強度が不足する。昨日も深夜にモード選択を間違えて暴走し、ギヤ破損。ここ数週間ほぼ毎日CNCの相手している気がする。

そして、デジャブかなと感じるノイズ問題を抱えていることに気づく。今年は電源回路に気をつかったので昇圧してもほとんどノイズの影響は出ず、うまくいったと思っていたら、モータを駆動すると悲惨。

試走していると、探索後に帰れない、特定のパラメータでスタートしない、スタート直後加速しない、といったソフトウェアバグっぽい挙動が相次いで出現。勘弁してほしい。

一回暴走するとギヤが破損する貧弱なマウスになってしまったが、素性は悪くなさそうな感触は得られた。

ハードウェア完成

一応ハードウェアは完成した。ホイールが基板か何かに干渉する問題やファンマウントの高さがイマイチなどまだ完全ではないものの、かたちにはなった。

リポ単セルで出せるパワーはあまり大きくないが比較的軽量にはできたので有利になるかどうか。

ただ、結局昨年度と同じタイミングまでハードウェア製作に時間をかけてしまい、試走時間がほとんどとれない。そもそも走るかどうかまだわからず、致命的な欠陥がないか恐れている。

製作中

今年は試走時間を確保するように作業を進めてきた...はずだった。ハードウェアに手こずっている。結局今年もテクニカルシートに妄想値を入力するはめになった。

CNCによる切削をひたすら繰り返している。0.2mmのエンドミルも1本折れた。悲しい。

昨年は2月11日にハードウェアが完成したらしい。これより遅くならないことを目指す。

東日本地区大会前日

いよいよ明日は今年度最後の地区大会だが、今年のマウスはプロトタイプを作ってみたものの思ったように動かず、本番機まで進められていない。 20pはフォトセンサが弱かったのでIRエミッタを交換し、回り込みによる光が極力入らないようにした。 テフロンシートもつや消し黒のアルミテープに変更した。 その結果あまり不安なく使えるようになった。

ようやく走行の調整ができると思ってやり始めたものの、まっすぐ走れない。

想定はしていたものの、2段減速機構の場合バックラッシの影響が大きく現れ、電流を流してからタイヤと路面間に力が働くまでに時間がかかりすぎる。 2m/s程度でまともに制御できない状態なので、これ以上の調整をあきらめる。速度を下げて走るしかない。。。

そうすると19号機をちょっとでも速くできないかと考えることになる。が、ピニオンが滑って走れない。

出発予定時刻の1時間前だがこのままでは走れないのでピニオンを作り直した。一応直ったようにも思えるが、弱いのでいつ症状が出てもおかしくない。 モータの軸を切断したときにバリが出ているのでピニオンを圧入するときに削れて穴が大きくなり、圧入されないというのが原因。