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UAV研究と電子機器
M2 成岡 優
1
概要
“ハンダ付け”をする意義・目的
2. 電子機器ができるまで
3. 構成部品について
4. 製作した機器の紹介
5. まとめ
1.
2016/5/27
鈴木・土屋研究室
2
“ハンダ付け”をする意義・目的(1)

“ハンダ付け”をしています



“ハンダ付け” = 電子機器を製作する
最終目標はUAV用Autopilotを製作する
Autopilotとは

自動飛行を行うための電子機器



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飛行状況の把握(航法)
目的地までの経路生成(誘導)
生成された経路への追従操作(制御)
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“ハンダ付け”をする意義・目的(2)

なぜUAV用Autopilotが必要なのか?

UAVが飛ぶのはあたりまえ


UAVが普及する為には高度な飛行が必要



障害物回避
最適飛行
しかし、製品(Micropilot等)では限界

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飛ぶだけではラジコン飛行機と同じ
中身を変更したいが細部まではできない
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“ハンダ付け”をする意義・目的(3)

研究室独自のUAV用Autopilotを開発すれば研
究の幅が広がる






VTOL
ソーラープレーン
『落ちない飛行機』をUAVで実証
フォーメーションフライト
(等々)
つまり、今後のUAV研究は搭載する電子機器の
優劣に左右される、はずだ
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“ハンダ付け”をする意義・目的(4)

電子機器を知っても損にはならない



電子機器を知れば、実際にモノを動かせる
物事についてソフト(シミュレーション)とハード(実証)
の両面から検証できるようになる
ということで、今回は



電子機器の製作方法
電子機器の設計方法概略
製作済み、製作中(Autolpilot)機器の紹介
について紹介します
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鈴木・土屋研究室
6
電子機器ができるまで(1)

電子機器製作の大まかな工程
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
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部品の選定、調達
回路基板の設計
回路基板の製造
部品の実装
ファームウェアの作成
デバック作業
完成!!
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電子機器ができるまで(2)
1.部品の選定、調達
資料をもとに使用する部品を決定
(数百万点から)
Webサイト
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データシート
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電子機器ができるまで(3)
2.回路基板の設計
専用のソフト(OrCAD、Eagle等)で作業
回路図の作成
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パターン図の作成
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電子機器ができるまで(4)
3.回路基板の製造
基板製造業者(P板、Olimex等)に発注
ネットでオンライン入稿
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鈴木・土屋研究室
1～3週間後
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電子機器ができるまで(5)
4.部品の実装
半田ごて
はんだ
部品と基板の接着、すなわち
ハンダ付けをする
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電子機器ができるまで(6)
5.ファームウェアの作成

部品によっては内部のソフト(ファームウェ
ア)を変更することで、機能をかえることが
できる
マイコンやDSP
 FPGA (Field Programmable Gate Array)
 CPLD (Complex Programmable Logic Device)
PCで開発し、それらの部品にファームウェアを書
き込む(ダウンロード作業)


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電子機器ができるまで(7)
6.デバック作業

オシロスコープやロジック・アナライザ、
ICD(In-Circuit Debugger)という装置を活
用して確認
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電子機器の設計法概略(1)

電子機器は2種類の回路で構成される

アナログ回路



デジタル回路

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電流や電圧の大きさが重要な回路
電圧の大きさで情報をやりとりする回路
電圧が高い(1)か、低い(0)かの2値のみで情報の
やりとりをする回路
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電子機器の設計法概略(2)

アナログ回路とは

アナログ回路の例



アナログ回路は難しい



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電源
センサ
ノイズなどの不安定原因に左右されやすい
経験則によって語られることも多い
できるだけ先人の知恵を借りること!!(モノマネ)
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電子機器の設計法概略(3)

デジタル回路とは

デジタル回路の例



デジタル回路は比較的易しい



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プロセッサー(Pentium等)
デジタルカメラの処理部
不安定要素がほぼ、ない
組み合わせれば動く巨大なプラモデル
ソフトによって簡単にカスタマイズできるものも
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電子機器の設計法概略(4)

多くの電子機器の中身は
入力
A/D
デジタル
処理部
D/A
出力
デジタル
電源
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アナログ
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電子機器の設計法概略(5)

舵
例としてFly By Wireの飛行機の操縦系
デジタル
センサ系
処理部
アクチュ
エータ系
蛇面
デジタル
電源
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アナログ
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電子機器の設計法概略(6)

制御との関連

アナログ回路



デジタル回路


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ラプラス変換
演算子sはコイル(L)、コンデンサ(C)で表現
z変換
演算子zはソフトで表現
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製作した機器の紹介(1)

PCからラジコン用プロポをコントロールする
(『航空機設計特論』で作成)
PC
プロポ
PICマイコン
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製作した機器の紹介(2)

飛行船コントロール機器 (『航空機設計特
論』で使用したものの改善バージョン)

ゲイン調整が可能
サーボ
スピコン
H8マイコン
ラジコン受信機
ジャイロ
CPLD
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製作した機器の紹介(3)

『航空機設計特論』のシステム
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製作した機器の紹介(4)

製作中のAutopilot
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製作した機器の紹介(5)

特徴

INS/GPS複合航法


行列演算等のパワーが必要な計算が可能




逆ダイナミクス
カルマンフィルタによる安定微係数・風推定
ニューラルネットワークによるオンライン学習
詳細なログの取得(SDカードに保存)

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正確な状態量が得られる
飛行状態を後からシミュレーションで再現できる
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製作した機器の紹介(6)

Autopilotの詳細





1～3枚目が完成



DSP
SD
USB
FPGA
84g
51 x 51 x 54 mm
全完成は4月～5月
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まとめ
UAVの研究において電子機器が果たす役
割は大きい
 Autopilotが完成したら使ってください!!





できるだけ使いやすい環境を整備します
サポートは無償で行います
フィードバックをください!!
電子工作は楽しいので、仲間募集中!!
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