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第一回電装ゼミ資料
- 2. ⽬次 1．ごあいさつ 2．滑空機の電装開発 Flowerʼs Factory 平瀬⿓⼀様 2．HPA電装に求められるもの WASA to._.mo 3．WASA⿃コン当⽇のフライトログ解説 WASA hermes 4．WASA電装システムとユーザーインターフェース WASA hermes
- 3. ごあいさつ
- 6. はじめに〜お願い〜 • この電装交流会の講演・資料は現役が作っています • 経験・知識の不⾜が考えられます • 鵜呑みにしないこと • 疑問点は質疑応答で聞くこと • 以上をお願いします．
- 15. ⾃⼰紹介 名前： hermes @nipa_a11 所属1： 早稲⽥⼤学基幹理⼯学部英語学位Computer Science B2 所属2： 早稲⽥⼤学宇宙航空研究会WASA⿃⼈間Project 0x14代電装班 電装設計 ⽣年⽉⽇：0x7cf/Aug/0xb 電装班でのお仕事： 3DCAD / 操縦桿設計 / UI製作 /電装設計
- 17. 使⽤した計測機器類 ⾼度計 MB1260 対気速度計 ロータリーエンコーダー ピトー管（差圧センサ） 回転数計 フォトインタラプタ AoA AoS なし IMU BMX055（9軸センサ） 気温湿度気圧 なし GPS GPM-808G システム全体の概要に関しては後ほど解説
- 28. WASAの電装システム
- 30. システム設計概念 • WASAの電装で⼀番の肝は「操舵」 • これを守るため，計測と独⽴させている • 基本はシンプルに，簡単に • 保守・管理を容易にし，確実に動くことを優先 • 機内の通信はすべて有線接続 • 無線は信頼性にどうしても劣る • 有線の⽅が操作・管理が容易 • データはパイロットのAndroid，設計のPCの両⽅へ • どちらからも確認でき，指⽰出しにも役⽴てられる • データログはPCで • 記録する間隔は間延びするものの，⽔没による消失を防げる
- 31. WASAの電装システム
- 32. システム設計概念 • WASAの電装で⼀番の肝は「操舵」 • 基本はシンプルに，簡単に • 機内の通信はすべて有線接続 • データはパイロットのAndroid，設計のPCの両⽅へ • データログはPCで
- 34. 我々がArduinoを使⽤する理由 1．多くのユーザーがいる．⾼い普遍性． 2．センサのライブラリが充実．取り付け事例もネット上に多数 3．引き継ぎが楽． 1年でオーナーが変わるシステムな事に留意
- 42. 電装として最良のUI フレームワークを使⽤し簡潔に記載 誰でも読める．引き継げるソースコード Win, Mac, Linux OSに対応 処理速度がUI表⽰端末で⼗分な設計
- 46. おわり
- 47. 2019HPA電装交流会 HPAに求められる電装 早稲⽥⼤学宇宙航空研究会 ⿃⼈間プロジェクト 20代 電装班⻑ 兼 空⼒設計 to._.mo 47
- 48. ⽬次 ´ はじめに ´ 何が電装に求められるか ´ 確実に動作させるには ´ 具体例ープリント基板ー ´ おわりに替えて 48
- 50. はじめに〜お願い〜 ´ この電装交流会の講演・資料は電装2年⽬の素⼈作です ´ 経験・知識の不⾜が考えられます ´ 鵜呑みにしないこと ´ 疑問点は積極的にお願いします ´ 以上をお願いします． 50
- 51. ⾃⼰紹介 ´ to._.mo @tomo30502042 ´ 早稲⽥⼤学 基幹理⼯学部 機械科学・航空学科2年⽣ ´ WASA20代，電装班，空⼒設計 ´ 電装を始めたのは⼤学に⼊ってから ´ マイクロマウス（迷路を⾃律探索するロボット） ´ 電装での担当は回路，マイコン回り 51
- 54. 電装の仕事の特徴 ´ ⾶⾏機を作っていない ´ 最悪なくても⾶ぶ ´ 外からはまず⾒えない ´要は「⾶⾏機として形になる部分ではない」 ´ 他班からは理解されない ´いろんなものをやする⺠⇔PCいじくりまわして発狂する⺠ ´端からみて，作っているものがわかりづらい 我々はなぜ電装を作るのだろうか 54
- 55. 実機における電装・計測装備 ´ 逆に，ない場合にどうなるか ´実機での例ー航空⾃衛隊F35墜落事故 ´「操縦⼠が姿勢を認識できず操作できなかったか、操作が間に合わな かった可能性が⾼い」時事通信 ´https://www.jiji.com/jc/article?k=2019080900895&g=soc ´ 熟練のパイロットでも⾃分の感覚だけで⾶ぶのは，⾮常に危険 ´ フライトデータを取得・表⽰するのは極めて重要 55
- 56. ⿃⼈間と電装 ´ ⾶んでしまえばパイロットは独りぼっち ´ 頼りにできるのは，感覚と，設計の指⽰と，電装だけ ´ 電装とは 「⼈⼒⾶⾏機を⾶⾏機たらしめる最後のパーツ」 56
- 58. 確実に動作させるには ´ トラブルが起こらないように作る ´バグをたくさん⾒つけて消す ← プログラムは⾒やすく書く ´処理に余裕を持たせる（特にオーバーフローに注意） ´⽤途に合った道具を選択（センサ，通信速度，ペリフェラル etc.） ´何よりも，システムはシンプルに ´ トラブル発⽣が明らかになるように ´警告が出る仕組みを作る ´ トラブルが起きても範囲を限定できるようにする ´プログラム上・システム上で個々は独⽴に 58
- 60. 操舵系統 ´ FBWの⽅が優れているのは⾓度の再現性 ´パイロットが⼿を放すだけでニュートラルに戻る ´ニュートラル調整が楽，動作⾓も正確に指定 ´ FBWはワイヤリンケージに重さ・応答性では勝負にならない ´重さ，応答性は妥協してでも，確実に動かした⽅がいい ´FBWの利点を⽣かすように構成するべき ´ FBWは決して死んではいけない ´計測系統からの独⽴，保護 ´酷暑の⿃⼈間コンテスト → 夏のうちに耐久テストを 60
- 61. 操舵系統 ´ 適切なサーボモータの選択 ´必要トルクは20kgf/cm程度だが，30kgf/cmでも不⾜が報告 ´扱いやすいサーボの選択 ´PWM制御かシリアルコマンド⽅式か ´ パイロットが使いやすい⼊⼒⽅式 ´ジョイスティックが⼀般的 - 使いやすいのか︖ ´誤⼊⼒しづらくする ´不感領域の設定，そもそも構造を変える ´ 確実に，安定に動作するプログラム ´通信速度はある程度抑えた⽅がいい(WASAは9600bps) ´ケーブルは重い，でも信頼性はまさる 61
- 62. 計測系統 ´ 簡単に作ろう ´マイコン間の通信って意外と難しいし⾯倒 ´⼈が多いチーム → 機能ごとにマイコン増やした⽅が楽 ´下⼿にいろいろなものを使わないで済むようにある程度統⼀ ´多種多様なライブラリを活⽤ ´ データログをどうとるか – 電装のもう⼀つの存在意義 ´SDカードは簡単だが，防⽔対策をしっかり ´PCやサーバーに⾶ばす⽅法は，データ量は減るが⽔没の⼼配はない 62
- 63. 計測系統 ´ データは⾒えなければ意味がない ´⽇差しの強い琵琶湖，緊張し疲れたパイロットが⾒えるものとは︖ ´ センサは既製品が楽 ´⾃作は⼤変らしい ´優秀なセンサはほぼすべてDigikey（マルツオンライン）で⼿に⼊る ´Analog回路を組む必要がない ´Serial通信さえ分かれば初⼼者に優しい ´ ⽤途に合ったセンサと，対応した使い⽅ ´機速計でエンコーダがうまくいかない→ペリフェラルをTimerに ´頻繁に計算したいジャイロ→通信速度の速いSPI通信など 63
- 64. ハード⾯ ´ ハードは思っているより⼤切 ´センサの性能や，整備性を悪化させることがある ´ どこにどう取り付けるか ´他班とよく相談して，取り付け場所を確保 ´取り付け部の製作は早く，３Dプリンターを使って⼿軽に ´ポイントは，センサに適切な位置と，整備性 ´ はんだ付けに気を付ける ´はんだクラックが⼊らないようなはんだ付け ´ 操縦かんはパイロットの意向に合わせる ´機械的にいいものと使いやすいものは違う 64
- 66. ノイズとは ´ ノイズとは，⽬的とは違う不要な信号のこと ´ 必要な信号に対し振幅が⼤きくなる →元の信号を埋没，機器の誤動作 ´ 電装に関わる⼈類の敵 ´ これを低減することは，信頼性の⾼い電装を作るうえで⼤切 66
- 67. ノイズの種類67
- 68. HPA電装とノイズ ´ HPA電装の特徴︓ケーブルが⻑い ´ アンテナみたいなもの → 周辺に⾶ぶ電波をノイズとして拾う可能性 ´ チームによっては，基板上の配線・部品が多いところも → 内部でノイズが発⽣する可能性 68
- 69. 代表的なノイズ対策 ´ シールド ´伝導性の⾼い⾦属で覆ってしまう ´空間を伝播する空間ノイズに効果的 ´ 素⼦を増やす ´コンデンサ，コイル，サージ吸収素⼦，アイソレーション素⼦ など ´回路上を流れる伝導ノイズに効果的 ´ 基板上で対策する ´プリント基板の真の意義とはこれ ´回路上でのノイズ発⽣対策・ノイズを減らす効果 69
- 70. プリント基板 ´ プリント基板の存在価値︓基板におけるノイズの低減 ´ なぜノイズを低減できるか ´ そういう⾵に設計するから ´ ⼿配線では実現できない配線が可能 ´ いい加減に設計してしまうと，逆にノイズ元にも ´ 頑張っていい回路設計しよう 72
- 71. ポイント①︓VCC・GNDを⼤きくとる ´ VCC・GNDを⼤きくとり，向かい合う⾯積を⼤きく ´静電容量が⼤きく → 放出ノイズ低下 ´ 特に，GNDを全⾯にしてしまう「べたGND」は⼀般的 ´べたGND内部のインピーダンスが等しくなる ´どこに配線をしても，素⼦間で電位差がなくなる → ノイズを消す ´ べたGNDならば，流せる電流も多い︕ ´ 回路全体を覆う = ある種のシールド ´空間を伝播してきたノイズにも強い 73
- 72. ポイント②︓配線を置く場所に注意 ´ 配線は並⾛させない → クロストーク（⼀⽅の波形がもう⼀⽅にも乗るノイズ）の原因 ´通るところは簡単に変えられるので，配線を離す ´ ⻑い距離の配線を避ける ´短い⽅がノイズの乗る可能性が減る ´発⽣する電場も⼩さい ´ CAD上，⼿配線では問題になりづらいが，Auto Routerを⽤い ると発⽣しやすい 74
- 73. ポイント③︓配線の置き⽅に注意 ´ 90°の⾓度で曲げない ´⼿配線ではふつうやる90°の⾓ ´急激な向きの変化はインピーダンスの変化のもと → ノイズの原因 ´90°曲げるときは，45°ずつ2回に分けるとよい ´ 同様の理由で，配線の太さの不⾜・変化も避ける 75
- 74. ポイント④︓べたGNDの置き⽅ ´ リターンパスを確保 ´回路は「⾏って戻ってくる」 ´戻り路も確保しておく必要 ´どこを通るかにも注意 ´ジャイロの真下通過していたら意味がない ´ べたGNDは基本的につなげる ´リターンパスが確保できない ´Biaやホール周りでは導通の危険まで ´ べたGNDもノイズの原因 ´細い部分，浮島にはbia ´思い切ってカットしてもよい 76
- 77. まとめ ´ 電装とはパイロットを⽀援するもの「HPA最後の部品」 ´ 確実に動くように製作しよう ´ FBWは間違いなく動くことを最優先 ´ 計測も信頼性を保ちやすく，シンプルに．⾒やすさ，ログも ´ 機体に搭載する以上，ハード⾯を軽視することはできない ´ ノイズ対策になるプリント基板を発注しよう︕ 82
- 78. 新メンバーがやるべきこと ´ 基礎的なお勉強 – 意外とやるタイミングがない ´⾃チームで使うマイコンはある程度動かせるように ´UI作るためにJava,Javascript学ぶなら今からやるべき ´前提知識はあった⽅がいい – Arduino って何︖ ´ 今年の電装系統はどのようなものだったか ´多分いきなり⼤幅に変わることはなく，どこを改良してい るかが明確 ´どんなトラブルがあったかは共有しておいた⽅がよい ´ モノを作れ ´何か作るのが勉強するときに⼀番早い ´しゅよっくんつくろう︕ 83
- 79. 暇だったら〜新しいものに触れてみよう〜 ´ 初⼼者が1年で開発しきるのは割と困難 ´ 新しいものに触れてみるときには，どうしてもデータシート を英語で読む必要性 ´ 今のうちから，⾯⽩そうなはやりに触れて慣れておこう ´ はやりの例 ´回路CAD︓KiCAD（EAGLE派としては残念） ´マイコン︓ESP32，STM32，（RXシリーズ） ´センサ類︓ピトー管，9軸センサ類 84
- 80. 来年に向けて ´ またこんな会ができたらいいなと思います ´ 本当に簡単でいいので，みなさん（特に21代）にもいろいろ 発表してほしいと思います ´ 発表するためにいろいろ調べたりするのが⼀番勉強になるの で，ぜひともやってみてください 85
- 81. ＜参考⽂献＞ ´ ノイズ対策.com ´ https://www.noise-counterplan.com/ ´ ノイズ対策のためのシールドケーブル採⽤のポイント - 半導体制御装置 制御盤.com ´ https://www.osako-electric.co.jp/point/wire-noise2/ ´ 2019年HPA春交流会 Team’F’ 樋⽥様 資料 ´ https://hpa.bio/2019spring/document/よりダウンロード ´ F-tec計測班のまとめ 樋⽥ 啓 2008年9⽉28⽇板 ´ http://f-tec.jpn.org/wp/wp-content/uploads/2006/07/main.pdf 86