『宇宙エレベーターモデル昇降機『momonGa-5。』開発報告』 Jpsec2014＠日本航空宇宙学会(20140222) @oku_zawa

1. momonGa-5。
開発報告書

2. チーム奥澤とは？
メンバー
奥澤（代表・メカ担当）
夏目（メカ担当）
益田（電気担当）
飯田（ソフト担当）
社会人による、日曜大工的開発チーム
チーム概要
設立 ：2009年4月～
拠点 ：東京・愛知・神奈川
資本金 ：各人のお小遣い

3. momonGa。シリーズ
150[m]級クライマー
momonGa。(2009年)
300[m]級クライマー
momonGa-2。(2010年)
1200[m]級クライマー
momonGa-4。(2012年)
600[m]級クライマー
momonGa-3。(2011年)

4. momonGa-5。
仕様
第五世代型 1200[m]超級 昇降機
特徴
サイズ ：760×300×200[mm]
重 量 ：7[kg]
積載量 ：7[kg]
速 度 ：6[m/s]
総工費 ：30万円※人件費別
・安全な昇降
⇒自由落下防止のため渦電流ブレーキ搭載
⇒自律/手動の切替可能
・環境測定能力
⇒MP同等の測定機能をクライマーに内蔵
・ペイロード比100％超
⇒自重以上の物を運搬可能
仕
様

5. １：運用フロー
プ
レ
ゼ
ン
内
容
２：自律動作フロー
３：各種技術
４：その他
momonGa-5。の自律動作フローの詳細を説明します。
momonGa-5。の基本的な動作方法を説明します。
・システム構成
・自律・手動モードの切替
・ベルト式動力伝達機構
・うず電流ブレーキ
・ペイロード

6. 運
用
フ
ロ
ー
①タブレット上でパラメータを入力し、クライマーに転送
②クライマーのスタートスイッチを押す⇒自律昇降開始
③エンコーダで距離を測定し、指定高度まで到達
④上空で任意時間停止（観測/撮影タイム）
⑤下降開始、ディスクブレーキをインターバル動作し下降
⑥目視域到達後に手動モードへ切替、地上へ帰還

7. 運
用
フ
ロ
ー
１
①タブレット上でパラメータを入力し、クライマーに転送
②クライマーのスタートスイッチを押す⇒自律昇降開始
③エンコーダで距離を測定し、指定高度まで到達
④上空で任意時間停止（観測/撮影タイム）
⑤下降開始、ディスクブレーキをインターバル動作し下降
⑥目視域到達後に手動モードへ切替、地上へ帰還
距離[m]
頂上まで(D1)
昇り減速開始(D2)
降り終点(D3)
降り減速開始(D4)
速度[m/sec]
昇り通常速度(S1)
昇り減速速度(S2)
降り通常速度(S3)
降り減速速度(S4)
昇り噛み込み解除逆走時(R1)
降り噛み込み解除逆走時(R1)
ブレーキ(0～16384)
昇り減速時(B1)
降り減速時(B2)
非常低支持(B3)
昇り噛み込み解除中(B4)
降り噛み込み解除中(B5)
時間[msec]
頂上・地上での一旦停止期間(ST)
加速期間(TS)
昇り噛み込み解除逆走期間(T1)
昇り無回転噛み込み判定閾値(T2)
降り無回転か見込み判定閾値(T3)
エラー判定比率(駆動ローラーの距離に足すする%)
噛み込み判定閾値
スリップ判定閾値
エラーチェック有り無し(ON/OFF)

8. 運
用
フ
ロ
ー
２
①タブレット上でパラメータを入力し、クライマーに転送
②クライマーのスタートスイッチを押す⇒自律昇降開始
③エンコーダで距離を測定し、指定高度まで到達
④上空で任意時間停止（観測/撮影タイム）
⑤下降開始、ディスクブレーキをインターバル動作し下降
⑥目視域到達後に手動モードへ切替、地上へ帰還

9. 運
用
フ
ロ
ー
３
①タブレット上でパラメータを入力し、クライマーに転送
②クライマーのスタートスイッチを押す⇒自律昇降開始
③エンコーダで距離を測定し、指定高度まで到達
④上空で任意時間停止（観測/撮影タイム）
⑤下降開始、ディスクブレーキをインターバル動作し下降
⑥目視域到達後に手動モードへ切替、地上へ帰還
計測ローラ
計測エンコーダ

10. 運
用
フ
ロ
ー
４
①タブレット上でパラメータを入力し、クライマーに転送
②クライマーのスタートスイッチを押す⇒自律昇降開始
③エンコーダで距離を測定し、指定高度まで到達
④上空で任意時間停止（観測/撮影タイム）
⑤下降開始、ディスクブレーキをインターバル動作し下降
⑥目視域到達後に手動モードへ切替、地上へ帰還
気球
1200[m]
<SENSING>
・3D Acceleration sensor
・2D Gyro sensor
・GPS sensor
・Temperature sensor
・Humidity sensor
・Barometer

11. 運
用
フ
ロ
ー
５
①タブレット上でパラメータを入力し、クライマーに転送
②クライマーのスタートスイッチを押す⇒自律昇降開始
③エンコーダで距離を測定し、指定高度まで到達
④上空で任意時間停止（観測/撮影タイム）
⑤下降開始、ディスクブレーキをインターバル動作し下降
⑥目視域到達後に手動モードへ切替、地上へ帰還

12. 運
用
フ
ロ
ー
６
①タブレット上でパラメータを入力し、クライマーに転送
②クライマーのスタートスイッチを押す⇒自律昇降開始
③エンコーダで距離を測定し、指定高度まで到達
④上空で任意時間停止（観測/撮影タイム）
⑤下降開始、ディスクブレーキをインターバル動作し下降
⑥目視域到達後に手動モードへ切替、地上へ帰還

13. 自
律
動
作
フ
ロ
ー

14. 自
律
動
作
フ
ロ
ー
①基本動作フロー
②スリップ判定
③ベルト破断判定（モータ異常）
④噛み込み判定
正常時に行われる動作フロー
クライマーがスリップして上昇できない場合の動作フロー
モータに異常が生じた場合の動作フロー
テザーを噛みこんで進めない場合の動作フロー

15. 自
律
動
作
フ
ロ
ー
①基本動作フロー

16. 自
律
動
作
フ
ロ
ー
②スリップ判定

17. 自
律
動
作
フ
ロ
ー
③ベルト破断判定（モータ異常）

18. 自
律
動
作
フ
ロ
ー
④噛み込み判定

19. シ
ス
テ
ム
構
成

20. シ
ス
テ
ム
構
成
システム系 モータ系
システム系とモータ系を分離し、拡張性を向上
モータドライバの自作を見越し、
モータ系をシステム系から分離

21. 長期的なプラットフォームとして、パンダボードを採用
制御ボードをKCB-WL3(KONDO)から、
Pandaboardへ変更。OSを搭載しマルチタスク対応
組込みパソコン積みました。
パ
ン
ダ
ボ
ー
ド

22. シ
ス
テ
ム
構
成 モードセレクトSW
いくつかのモード（高度/速度等の設定）を
本体に記録し、前面スイッチにて選択可能

23. 地上付近の状態変化への対応
任意のタイミングで手動モードに切り替え可能
地上付近の状況変化（テザーが垂れる）に対応
プロポからの信号をCPLDで処理し、モード切替え
自
律
・
手
動
手動操作可能範囲
（地上100[m]程度）
自律上昇 自律下降
手動下降

24. 搬送力の向上
テザーへの動力伝達を、ローラ（線接触）から
ベルト（面接触）へ変更し、搬送力の向上
シンプル軽量な構成で多輪駆動と同等の搬送力
ベ
ル
ト
式
動
力
伝
達
旧：momonGa-4。 新：momonGa-5。

25. 駆動部仕様
ベ
ル
ト
式
動
力
伝
達
回転数 ：4884[rpm]
直径 ：28[mm]
速度 ：6[m/s]
出力 ：1200[W]
方式
対向orオフセット
（組替え可能）
うず電流ブレーキ
ディスクブレーキ
計測ローラ（エンコーダ付）
モータ（エンコーダ付）

26. プレスケールによる搬送力の比較
テザーへの加圧状態を測定し、
従来機と遜色がないことを確認。
搬送力（ブレーキ時の静止摩擦力）20[kg]以上
ベ
ル
ト
式
動
力
伝
達
旧：momonGa-4。 新：momonGa-5。

27. 自由落下防止
クライマー故障時の自由落下を防止するために、
渦電流ブレーキを搭載、運動を熱に変換する。
ワンウェイクラッチにより、メカ的に下降時に動作
う
ず
電
流
ブ
レ
ー
キ
磁石N極
磁石S極
アルミ円盤
うず電流ブレーキとは
日本ガイシ株式会社HPより引用
http://site.ngk.co.jp/lab/no64/

28. う
ず
電
流
ブ
レ
ー
キ

29. ペイロードの多彩化
サンダバード2号方式を採用し、
様々な機能を持ったペイロードを選択式に搭載可能
ペ
イ
ロ
ー
ド
電飾ユニット 飲料水タンク
展開式カメラアーム
（自画撮り）
宇宙エレベーターガール
（音声ユニット）

30. 2013年8月8日 1st
w indow 200[m]フィールド
結
果
～
一
回
目
モータの起動トルク不足でスタートできず。
試走会では動いていたのに何故？？？
手押しでもクライマーが動かないくらいに、
駆動部の抵抗が異様に大きい。
⇒棄権
原因と対策
・駆動部の加圧力が強すぎた？
⇒テザーへの加圧力の調整
従動ローラの加圧ばねを弱くする
・重かった？
⇒ペイロードユニットの取外し
従動ローラ
ばね内蔵
7本×2箇所=14個

31. 2013年8月8日 2nd
w indow 200[m]フィールド
結
果
～
二
回
目
機体調整のため手動モードでトライ
⇒始動トルク不足
全てのペイロードを外してトライ
⇒200[m]昇降成功
原因と対策
・とりあえず昇ったけど、妙に動きが悪い
⇒従動ローラにネジが当たっていた？

32. 2013年8月9日 3rd
w indow 200[m]フィールド
結
果
～
三
回
目
1：自律モードで180[m]昇降成功
2：手動モードで200[m]昇降成功
3：手動モードで200[m]昇降成功・・・せずに
上空でスタック！
原因と対策
・毎年恒例上空スタック（申し訳ありません）
⇒バンパー付近に集中したねじれを噛みこんだ

33. 2013年8月9日 4th
w indow 200[m]フィールド
結
果
～
四
回
目
1：手律モードで200[m]昇降成功
2：自動モードで200[m]昇降成功
⇒高高度チャレンジ権獲得！

34. 2013年8月10日 5th
w indow 1200[m]フィールド
結
果
～
五
回
目
いよいよ1000[m]超への挑戦。
その前にしたこと
・1000[m]超を想定したデバック
⇒実際に1000[m]を空運転で走らせる×10回
・徹底的に安定化
⇒最小限のシステム構成
・調整をしない
⇒うまくいった所は触らない。
・反省を生かす
フィールド展開長1200[m]だったので、
バンパー付近のテザーねじれを危惧し、
1100[m]で挑戦

35. 2013年8月10日 5th
w indow 1200[m]フィールド
結
果
～
五
回
目
動画を御覧ください。

36. 2013年8月10日 5th
w indow 1200[m]フィールド
結
果
～
五
回
目
1100[m]の昇降を達成！
重量：6.7[kg](ペイロード2.8[kg])
高度：1100[m](テザー上)
速度：
上昇6.0[m/s](21.8[km/h])
下降5.6[m/s](20.2[km/h])
2013年8月10日 5th
w indow 1200[m]フィールド
1100[m]の昇降を達成！
重量：6.7[kg](ペイロード2.8[kg])
高度：1100[m](テザー上)
速度：
上昇6.0[m/s](21.8[km/h])
下降5.6[m/s](20.2[km/h])

37. 2013年8月10日 5th
w indow 1200[m]フィールド
結
果
～
ま
と
め
2013/08/08(木)：200mフィールド
・1st window：スタートできず。
・2nd window：200m昇降成功(手動)
2013/08/09(金)：200mフィールド
・3rd window：上バンパーに衝突しスタック
・4th window：200m昇降成功(手動、自律)
2013/08/10(土)：1200mフィールド
・5th window：1100m昇降成功(自律)
部門賞
まとめ
・制御賞 「チーム奥澤」
・機能賞 「The 4th Laboratory」
・エネルギー効率賞 「Aoki-Lab.A」
・安全設計賞 「チーム奥澤」

38. momonGa-6。に向けて
①安定性向上
⇒システムとしての安定性を向上する
momonGa-5。のロバスト性評価を実施し、
結果をmomonGa-6。へフィードバックする。
②エレベータ性向上
⇒エレベータとしての役割を持たせる
載せたいもの募集中！
技
術
開
発
動
向

39. momonGa-6。に向けて（機構）
①可動式導入ガイドの搭載
⇒テザー噛み込み防止
②ローラ（ベルト）クリーニング
⇒ローラが太ってしまい、
速度・圧力が変化してしまう
③始動の最適化
⇒垂直条件でも始動可能
トルクvs速度の設定
④ブレーキの最適化
⇒渦電流ブレーキの本格搭載
技
術
開
発
動
向

40. momonGa-6。に向けて（電気）
①ブレーキの電流値制御
⇒ブレーキ力を制御したい。
ブレーキ用のサーボを
位置制御から電流値制御へ
②防水・防塵
⇒そろそろまじめにやりましょう
技
術
開
発
動
向
momonGa-X。に向けて（電気）
①ブラシレスモータードライバ自作
⇒momonGa-2。で失敗
来年から本気出す。

41. momonGa-6。に向けて（ソフト）
①システムの安定化
⇒メインCPUとサブCPU間の通信が怪しい
②Android搭載
⇒充実した周辺環境が利用できる
③有機ELパネルの実装
⇒起動画面やモードを表示させる
技
術
開
発
動
向

42. 技術情報等をBlogで公開しております。
Blog：http://teamokuzawa.blog57.fc2.com/
本資料もSlideshareにて公開済みです
情
報
公
開
中

43. 宇宙エレベータ協会関係者及び、ボランティアの方々には、
技術競技会開催のためにご尽力戴きました。
ここに感謝の意を表します。
そして、発表を聞いてくださった方々に感謝いたします。
ご静聴頂き、ありがとうございました。
謝
辞

44. Thank you.

45. 付
録
主要部品一覧表
品名 メーカ 品名 規格
モータ ロベ ドミネイターCA88-19 220[kV]/1200[
モータドライバ Turnigy Trackstar 1/5th Scale Sensorless 200amp
8s Opto Car ESC
34[V]/200[A]
バッテリー Turnigy Nano-tech 5000mAh 22.2[V]/5000[m
メインボード - PandaBoard ES
ブレーキ SHIMANO BR-M375-L
ブレーキサーボ KONDO KRS-2542HV ICS 0.12[s/60°]/11
駆動ベルト 三ツ星ベルト 35-FL-400 35[mm]幅
孫ボード（制御） STMicroelectronics STM32F407
プロポ JRプロポ XG6 TRG
受信機 JRプロポ RG631B
3軸加速度センサ Strawberry-linux SEN-11486 ±16[G]
3軸角速度センサ 1000[degree/s
3軸地磁気センサ 0.3[uT/LSB]
温湿度センサ Strawberry-linux SHT-11+SF -40～140 /0℃ ～
GPS G223
電流センサ TAMURA L01Z150S05