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 ロボット専業メーカーとして10年、累計販売 4,200 台以上の納品をして参りました弊社の最大の資産は、大学の先生や研究者の方々とのネットワークだと考えております。弊社の専門書nuvo® テキストは、その先生方との協働により誕生しました。

専門書

 2010年2月より、これまでのnuvo® テキストとは別に、最新技術や研究成果を学ぶことができる「専門書」の発行を開始いたしました。第一弾として東京農工大学永井正夫教授とポンサトーン・ラクシンチャラーンサク准教授による業界初のカー・ロボティクス専門書『カー・ロボティクス』を、次いで群馬大学(元富士重工業株式会社)松村修二客員教授による『一からつくる電気自動車の設計』を発行いたしました。

カー・ロボティクス


RoboCar® カーロボティクスプラットフォーム
RoboCar® MV ロボット×超小型電気自動車 

『自動車の走行環境認識技術とその応用』
 豊田工業大学特任教授 スマートビークル研究センター長 三田誠一, 郭 春 釗, ホセイン テヘラニ


表紙

車両の検出例

夜間の車両の検出例

走行可能領域の検出例

高齢化が進む日本社会において、死亡事故に占める割合の過半数が60歳以上の高齢者で、事故原因の3割は安全不確認です。その根本的解消のためには、インフラの改善とともに、外部環境のセンシング技術を基盤とした高度安全運転支援システムの装備が急務となっています。

本書は、TTI at Chicago(豊田工業大学シカゴ校)で研究された可変形状モデルを基本にして昼夜の車両や歩行者検出に拡張した結果や、ステレオ画像を用いたさまざまな状況における道路面の検出手法、また、これらを基にし、走行経路上の最狭部分を確率的に抽出し、障害物間の距離が最も広い部分を通過できる新規経路計画手法やそれを用いた自律走行実験などについて、体系的・網羅的に解説した最適な一冊となっています。

[ テキストの目次 ]
  • 1.  はじめに
           1.  車両のインテリジェント化の背景と動向
           2.  車両の走行環境認技術の概要
    2.  単眼カメラによる単体オブジェクト認識
           1.  可変形状モデルの構築
           2.  昼夜における車両の検出
           3.  追跡手法
           4.  可変形状モデルによる車両の検出結果
           5.  処理時間の短縮とGPUの使用
    3.  ステレオカメラによる連続物体認識
           1.  ステレオマッチングの基本事項
           2.  様々な状況下における道路面検出
           3.  様々な状況下におけるレーン推定
    4.  センサフュージョンに基づく物体認識
           1.  基本事項
           2.  従来研究例の紹介
           3.  道路の分類
           4.  データフュージョンによるオブジェクト識別
           5.  実験結果
    5.  走行経路生成
           1.  関連研究
           2.  提案手法の概要
           3.  車両モデルと経路計画の制約
           4.  ローカル経路計画アルゴリズム
           5.  グローバル経路計画
           6.  実験結果
    6.  自律走行車両の位置決めへの認識技術の応用
           1.  基本事項
           2.  車両運動センサおよび座標系
           3.  車両センサに基づく情報処理
           4.  位置決め手法の提案
           5.  複数の観測を用いるパーティクルフィルタ
           6.  自律走行アーキテクチャ
           7.  実験および結果


三田誠一
豊田工業大学特任教授、
スマートビークル研究センター長

『カー・ロボティクス』
 東京農工大学・永井正夫教授、ポンサトーン・ラクシンチャラーンサク准教授 著

 近年、安全性の向上や危険予知など、自動車に求められる機能は新しい段階に入ったといえます。着実に、自動車のロボット化が進む中、次世代自動車に求められる最も重要な機能と技術は「電動化」と「知能化」であり、未来カーへの鍵は「ロボティクス」であると考えます。

 本書は、業界初となるカー・ロボティクスの専門書です。著者は、本分野の第一人者である東京農工大学永井正夫教授とポンサトーン・ラクシンチャラーンサク准教授で、カーエレクトロニクスとロボティクスを応用した最先端のカー・ロボティクスについて、大学生からエンジニアまで、体系的・網羅的に学ぶことができる内容となります。


[ テキストの目次 ] ※各章の1ページ目をご覧いただけます。
  • 第1章  序論
    • 1.1 カー・ロボティクスの経緯
    • 1.2 自動車技術とロボット技術の融合
    • 1.3 安全・安心な移動社会に向けて
    • 1.4 車両安全技術
    • 1.5 運動制御
    • 1.6 自動運転と運転支援
    • 1.7 新たなモビリティの展開
    • 1.8 本書の構成
  • 第2章  カー・ロボティクスのための基礎
    • 2.1 自動車の運動モデル
      • 2.1.1 剛体モデルと座標の定義
      • 2.1.2 横運動に関する平面2自由度モデル
      • 2.1.3 前後方向の車両運動モデル
      • 2.1.4 上下方向の車両運動モデル
    • 2.2 ドライバモデル
      • 2.2.1 車線追従のためのドライバモデル(ラテラル制御)
      • 2.2.2 前後運動に関連するドライバモデル(ロンジチューディナル制御)
    • 2.3 外界センシングデバイス
      • 2.3.1 レーザレーダ・ミリ波レーダ
      • 2.3.2 車載カメラ
      • 2.3.3 車車間通信
  • 第3章  カー・ロボティクスのための制御系設計理論
    • 3.1 制御理論から見た車両運動制御の現状
    • 3.2 伝達関数と状態方程式
    • 3.3 PID制御
    • 3.4 逆モデルによる制御系設計
    • 3.5 最適レギュレータ
    • 3.6 モデルマッチング制御
    • 3.7 2自由度制御系によるサーボ系設計
  • 第4章  駆動性向上のための車輪速度制御系
    • 4.1 はじめに
    • 4.2 車輪速度制御系の構成
      • 4.2.1 設計指針
      • 4.2.2 制御目標
      • 4.2.3 制御系設計のための駆動系モデル
      • 4.2.4 車輪速度制御器の設計
      • 4.2.5 駆動トルク外乱推定器の設計
    • 4.3 シミュレーション
    • 4.4 実車実験
      • 4.4.1 駆動トルク外乱推定器の有効性
      • 4.4.2 車輪速度制御系の有効性
    • 4.5 おわりに
  • 第5章  操縦安定性向上のための直接ヨーモーメント制御系
    • 5.1 はじめに
    • 5.2 電気自動車の運動特性の解析
    • 5.3 直接ヨーモーメント制御系の設計
      • 5.3.1 ヨーモーメント制御入力の算出
      • 5.3.2 左右輪の駆動力配分
      • 5.3.3 車速依存型横滑り角推定器の設計
    • 5.4 シミュレーション
    • 5.5 実車実験
      • 5.5.1 車速依存型横滑り角推定器の推定結果
      • 5.5.2 直接ヨーモーメント制御系の制御効果
    • 5.6 おわりに
  • 第6章  操縦安定性向上のためのステアバイワイヤの操舵制御系
    • 6.1 はじめに
    • 6.2 ステアバイワイヤの制御系の設計
      • 6.2.1 操縦性向上を目指したフィードフォワード補償器
      • 6.2.2 耐外乱安定性向上を目指したフィードバック補償器
    • 6.3 シミュレーション
    • 6.4 ステアバイワイヤ車両
    • 6.5 実車実験
      • 6.5.1 低速域における操縦性向上
      • 6.5.2 高速域における操縦性向上
      • 6.5.3 スプリットμ路における耐外乱安定性向上
    • 6.6 おわりに 140
  • 第7章  左右輪の駆動力差による車線追従制御系
    • 7.1 はじめに
    • 7.2 車線追従制御系の全体構成
      • 7.2.1 駆動力制御システム
      • 7.2.2 道路の白線検出システム
      • 7.2.3 前方横偏差の計算
    • 7.3 駆動力差による車線追従制御系の設計
      • 7.3.1 設計指針
      • 7.3.2 目標ヨーレイトの算出
      • 7.3.3 ヨーモーメント制御器
      • 7.3.4 左右駆動トルク配分
      • 7.3.5 曲率推定
    • 7.4 シミュレーション
    • 7.5 実車実験
      • 7.5.1 直線路追従走行
      • 7.5.2 曲線路追従走行
    • 7.6 おわりに
  • 第8章  電動モータのトルク制御による前方車間距離自動制御系
    • 8.1 はじめに
    • 8.2 車間距離制御系の設計
      • 8.2.1 目標加速度の算出
      • 8.2.2 目標加速度追従制御系
      • 8.2.3 駆動トルク制御系
    • 8.3 シミュレーション
    • 8.4 実車実験
    • 8.5 おわりに
  • 第9章  レーザレーダの道路境界認識に基づく経路自動追従制御系
    • 9.1 はじめに
    • 9.2 市街地走行環境における自動運転システムの要素技術
    • 9.3 経路自動追従制御系の構成
    • 9.4 道路環境認識
    • 9.5 経路自動追従制御系の設計
      • 9.5.1 前方横偏差の計算
      • 9.5.2 目標ヨーレイトの算出
      • 9.5.3 ハンドル角指令値の算出
    • 9.6 シミュレーション
      • 9.6.1 シミュレーション条件
      • 9.6.2 シミュレーション結果
    • 9.7 実車実験
      • 9.7.1 実験条件
      • 9.7.2 実験結果
    • 9.8 おわりに
  • 第10章  障害物回避時における車両の制動・操舵制御系
    • 10.1 はじめに
    • 10.2 障害物回避の理論
    • 10.3 障害物回避シナリオ
    • 10.4 障害物自動回避システム
      • 10.4.1 システム概要
      • 10.4.2 周囲状況認識システム
      • 10.4.3 回避経路生成システム
      • 10.4.4 回避方法の選択
      • 10.4.5 目標車両運動の算出
    • 10.5 障害物回避における車両運動制御系
      • 10.5.1 速度追従制御系
      • 10.5.2 ヨーレイト追従制御系
    • 10.6 シミュレーションと実車実験
    • 10.7 おわりに
  • 第11章  終論
    • 11.1 個別適合運転システム
    • 11.2 国家的プロジェクトの事例
    • 11.3 おわりに
  • 巻頭カラーページ、用語リスト、索引付き(全275ページ)


永井正夫
東京農工大学教授


ポンサトーン・
ラクシンチャラーンサク
同大学准教授

推薦の言葉をいただきました

竹中 恭二
富士重工業株式会社 顧問(前社長)、ロボットビジネス推進協議会 前会長

 自動車は今、地球環境保全や高齢化社会などの観点から新たな革新を求められている。しかしながら、その中核とも言うべきカーロボティクスと電気自動車(EV)についてここまで網羅された書はこれまでなかった。本書は、これから始まる未来に向けて、自動車や自動車関連産業に携わる全てのエンジニアにとって必携の書となるだろう。本書が、新時代のエンジニアの育成に寄与し、日本の国際競争力を高めることに大いに期待したい。

Satoshi Wada |和田智| SWdesign TOKYO | Audi design Partner

 日産自動車を経てドイツ、アウディAGで12年(代表作Audi A5&S5,Q7,A6)、クルマの恩恵を受けて生かされて来ました。しかし、この大きな社会のターニングポイントにおいて、いったいクリエーターとして今、何をしなければいけないかと言うVISIONに立ち、未来のくらしへの新しい価値としてのモビリティライフの創造に力を注ぎたいと考えています。カーロボティクスはその一つの方向性を示しています。決して便利なだけではなく、人のくらしといかにとけ込めるか、いかにハイテクノロジーがでしゃばらずシンプルに我々の感性にとけ込めるか、こんな課題と共に新しいくらしが必ず来るのです。未来を美しく笑顔あるものにする、これが’デザインの使命です。この書が、そんな世界へ導く第一歩になる事を願っています。

佐藤 知正
東京大学情報理工学研究科知能機械情報学専攻教授、(社)日本ロボット学会 前会長

 自動車には、150年の歴史がある。それは、1859年の内燃機関の発明後の自動車の基本技術、第一次大戦後の高速道路網などの社会インフラ技術、そして第二次大戦後のきめこまやかな自動車ものつくり技術の歴史であり、ロボットが大いに学ぶべき事項である。そして、これまで日本の輸出を支えてきた自動車は、現在環境と安全の観点から、ロボットに学ぶべき時期に来ている。
 一方ロボットは、1960年代にその研究が開始されて以来、まだ50年の歴史しか有しておらず、実用化技術や社会技術は、自動車から学ぶべきことが多い。しかし、ロボットは、人工知能の一環として研究されてきた関係もあり、知能化技術に一日の長がある。ネットワークの中で活動し、そしてロボット化されるこれからの自動車が学ぶべきことは多い。
 このような観点から、日本ロボット学会は、今後の自動車の知能化、ネットワーク化とロボットの自動車化を見据え、カーロボティクスに関する相互刺激をはかるために、2007年に自動車技術会との交流活動に関する覚書を取り交わし、研究交流活動を推進してきた。
 本書は、このような活動をふまえ、カーロボティクス研究の第1人者である東京農工大学永井教授・ポンサトーン准教授の長年の研究実績をもとに、カーロボティクスの観点から、自動車の制御・操縦に関して、体系的に書かれた書籍である。本書によりロボット工学と自動車技術との相互刺激、そして相乗効果による両技術の研究開発が促進されることを期待する。

伊賀 直人
ルネサス エレクトロニクス株式会社 MCU事業本部 自動車システム統括部 自動車戦略企画部長

 昨今のハイブリッド自動車・電気自動車の普及によりカーエレクトロニクスは益々重要になっている。自動車の知能化も急速に進んでおり、ルネサス エレクトロニクスでは、動画像認識プロセッサIMAPCAR(R)などにより自動車の危険防止・安全確認システムをサポートしている。本書では今後の先進自動車に必要となる技術が解説されており、今後の製品開発において有用である。本書によりカーロボティクス分野が拡大することを期待する。

電気自動車


RoboCar® 1/10 カーロボティクスプラットフォーム
RoboCar® MV ロボット×超小型電気自動車 

『一からつくる電気自動車の設計』
 松村修二 著(群馬大学客員教授、次世代EV研究会責任者)

 松村修二客員教授の富士重工業株式会社からの長年の研究開発、自動車づくりのエッセンスが盛り込まれた本書は、電気自動車の設計を基礎から学ぶのに最適です。

[ テキストの目次 ] ※各章の1ページ目をご覧いただけます。
  • はじめに
  • 第1章 基本構想
    • 1-1 商品企画
    • 1-2 デザイン企画
    • 1-3 情報収集
    • 1-4 適用法規の確認
  • 第2章レイアウト及び全体構
    • 2-1 乗員 タイヤ ハンドル ペダル のレイアウト構想
    • 2-2 原動機 バッテリ 制御装置 のレイアウト構想
    • 2-3 空力構想
    • 2-4 質量構想
    • 2-5 質量配分
  • 第3章 性能構想
    • 3-1 登坂性能構想
    • 3-2 走行性能の概略構想
    • 3-3 走行性能シミュレーション3-4 モード燃費
  • 第4章 主要部分の構想及び検討
    • 4-1 R(リア)ホイール(モータ内蔵)
    • 4-2 車体フレーム構想4-3 車体外板構想
    • 4-4 サスペンション
    • 4-5 ステアリング機構構想
    • 4-6 室内主要寸法と乗員配置計画図
  • 第5 章 電装関係概要
    • 5-1 システム図
    • 5-2 駆動用モータ
    • 5-3 正逆転切替回路/補器電源(12V)
    • 5-4 バッテリ
    • 5-5 充電器
    • 5-6 アクセル
    • 5-7 まとめ
  • 第6章 基本構造図面の作成
    • 6-1 車体フレーム部材
    • 6-2 強度計算
    • 6-3 車体フレームの基本構造
    • 6-4 全体構造図
    • 6-5 図面段階まとめ
  • 第7章 フレーム、足回り、機能部品の製作、組み付け
    • 7-1 フレームの製作
    • 7-2 足回り、機能部品の製作組み付け
    • 7-3 機構部品の組み付け
    • 7-4 全体組立完成(ボディ外板の無い台車状態)
  • 第8章 FRPボディの製作
    • 8-1 FRPの一般知識
    • 8-2 FRPボディ製作の手順
    • 8-3 まとめ
  • Appendix
    • 1.デザイン企画詳細
    • 2.電気自動車の市場環境:社会動向・市場動向
    • 3.保安基準第3章
    • 4.CAE
    • 5.モータが回る原理
    • 6.交流モータ駆動回路(インバータ)
    • 7.PWM制御
  • 参考文献

松村 修二
群馬大学 工学部 連携大学院(機械システム) 客員教授
東北大学大学院修了。工学博士。
富士重工業株式会社研究実験部入社。
スバル技術研究所プロジェクトジェネラルマネージャー歴任。
2006 年同社退職。 現在、群馬大学連携大学院にて客員教授を務める。

nuvo® テキスト

 カーロボティクス、モーションセンサなどの最新技術や二足歩行ロボットを、学校や授業の目玉として取り入れたいとお考えになる先生が多数いらっしゃる一方で、「学生には難しすぎるのではないか?」「カリキュラム作成が困難そうだ」という声も聞いて参りました。そのご要望にお答えするため、弊社教材nuvo®シリーズを用いて学習する「nuvo® テキスト」を発行しています

 実際に大学や高等専門学校で教鞭を執っている先生方が執筆された、すぐに活用できる実践的な教材です。ぜひ、このカリキュラム・テキストを参考に、nuvo® シリーズの導入をご検討ください。学生の学習意欲を刺激する、特色ある学校・学科・研究室作りに貢献できるものと自負しております。

9軸ワイヤレスモーションセンサーで学ぶ


ZMP® IMU-Z 9軸ワイヤレスモーションセンサー
ZMP® IMU-Z Lite 6軸モーションセンサー

IM-A1『国立東京工業高等専門学校・齊藤先生の「ZMP® IMU-Z」で学ぶ 9軸モーションセンサ』

 9軸センサ(3軸ジャイロセンサ、3軸加速度センサ、3軸地磁気センサ)の機能、動作原理とデータの解析方法を基礎から学べるテキストです。実際のセンサのモーションデータを利用して、速度、変位、角度などの算出方法を学ぶ実用的な内容となっています。また、歩行や腕のふり計測などを題材にした演習問題など、授業に導入しやすい内容となっています。

[ テキストの目次 ] ※各章の1ページ目をご覧いただけます。

モータ制御学習キットで学ぶ


nuvo® BASIC モータ制御学習キット

モータ制御で学ぶ電子回路と組込みプログラミング(毎日コミュニケーションズ)

 本書では、ロボットやメカトロニクスの根幹技術であるモータ制御を題材として、現代のメカトロ・エンジニアに必須の電子回路と組み込みプログラミングの基礎を学んでいきます。書中では、知識習得のための講義と実験課題を交互に繰り返し、要素要素を短期で身につけられる構成になっています。

BA-A1 組み込みプログラミングの基礎(モータ制御基礎編)

 DCモータの両端に電池を繋ぐとモータは、ぐるぐると回り始めてしまいます。 しかし、実際のロボットでは、関節をある角度で静止させることが必要です。どのようにすればよいのでしょうか?これがモータ制御で学習する事項です。
 まず、トランジスタ、ポテンショメータなどの電子部品の特性を調べ、それらの部品を使って、「ポテンショメータの角度と抵抗値のグラフ」「トランジスタによるモータ駆動」「H-Bridge回路」といった電子実験を行います。 部品の理解が進んだら、CPUを使って、「ポテンショメータの値のA/D変換」「エンコーダの値のカウント」「PWMによるモータ速度の変化」そして、モータ制御「ソフトウェアサーボ」の実験になります。

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BA-A2 組み込みプログラミングの基礎(PID制御実装編)

 本書の基礎編に相当する「BA-A1 組み込みプログラミングの基礎(モータ制御基礎編)」では、最終的にON/OFF制御でモータの角度フィードバックを実現するのに必要な“電気部品の基礎”と“組み込みプログラミング”をイチから実習によって学習する内容でした。
 本書では、産業界で一番良く用いられているPID制御を実装すること考えます。最終的にPID制御を実装するにあたって必要な組み込みプログラミングの基礎を学習し、最後にP制御、D制御の挙動をロギングデータで解析し、PID制御についても学習します。PID制御では、P制御、D制御の挙動が下図のようなロギングデータだけなく,実際に動きが見てとれるので、PID制御の役割を理解するのに相応しい題材と言えます。これは、大学などでの学生実験においてのご使用が可能です.


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BA-A3 組み込みプログラミングの基礎(PID制御の設計と実習編)

 本書「BA-A3 組み込みプログラミングの基礎(PID制御の設計と実習編)」で学習する内容としては、大きく2つあります。 一つはノイズ除去のための一次ローパスフィルタの学習です。もう一つは、トルク制御によるPID制御の設計、実装、チューニングです。「BA-A2 PID制御の実装編」で学習したPID制御は、目標値に追従するように制御器がPWM信号のDuty[%]を適宜変更してモータを駆動しており、各ゲインは試行錯誤によって決めました。PID制御の各ゲインを設計的に求めようとすると、このPWM方式ではあまり都合がよくありません。そこで一つの方法は、電流フィードバックを構築することによって電流指示(トルク指示)ができるものとして、制御対象をモデリングして、ゲインを設計する手法がああります。これが、トルク制御によるPID制御です。
 今までは、組み込みプログラミングの基礎というコンセプトで、初歩の初歩から学習していくことを前提としていたので、理解しやすいという観点から浮動小数点を用いて実装してきました。しかし、通常はより安価なマイコンでより多くの処理をしたいという要求があるので、floatはあまり使われません。今回実装する電流フィードバックは短い制御周期としたいことから浮動小数点による実装は現実的ではありません。そこで、電流フィードバック制御は整数演算による実装をしています。組み込みプログラミングにおいて、整数演算の考え方は非常に重要なので、本書で学習します。
※本書の内容は、nuvo® BASIC Ver.1.10以降を対象としています。
(Ver.1.00は、電流を計測するシャント抵抗が搭載されていないため電流フィードバックができないためです。)

BA-B1 『モータ制御学習キット nuvo® BASIC 実験マニュアル Verilog HDLを用いた回路設計 ~ HDL基礎編 ~』

 ソフトウェアが得意な領域は、H8マイコンで。ハードウェアが得意な領域は、CPLD(FPGA)で。産業界で広く使われているアルテラ製CPLDを用いて、ハードウェア設計の基本を学習します。
 AND・ORの論理演算から、デコーダ、セレクタ、フリップフロップと、基礎を順を追って学習します。

[ テキストの目次 ] ※各章の1ページ目をご覧いただけます。
  • 【第0 回】 はじめに
  • ========== 第 1 章CPLD 開発環境編==========
    • 【第1 回】 CPLD の開発環境Quartus II の使い方を理解しよう
  • ========== 第 2 章HDL 基礎編==========
    • 【第2 回】 デコーダ機能
    • 【第3 回】 セレクタ機能
      • やってみましょう4) セレクタ機能を用いて、表示する値を切り替えてみよう
        • 2to1 セレクタ
        • DipSW 4 ビット×2 セットから1 セットセレクトして7 セグメントLED に表示
        • ■ 演習 8to1 セレクタ
    • 【第4 回】 フリップフロップ機能
      • やってみましょう5) ラッチ機能を用いて、表示する値を切り替えてみよう
        • D ラッチ
        • DipSW 4 ビットの情報をラッチ用信号に基づいてデータを保持/変化させる
        • 「データの筒抜け」と「データの保持」
      • やってみましょう6) フリップフロップ機能を用いて、表示する値を切り替えてみよう
        • D フリップフロップ
        • DipSW 4 ビットの情報をFF 入力の立ち上がり時に記憶する
    • 【第5 回】 基本機能演習 (加算回路)
      • やってみましょう7) フルアダーを繋ぐことにより、3 ビット加算回路を構築しよう
        • フルアダー
        • DipSW 3 ビット×2 セットの加算回路
        • ■ 演習 4 ビット加算回路
      • やってみましょう8) 算術演算子を用いて、3 ビット加算回路を構築しよう
        • 算術演算子
        • 算術演算子を用いたDipSW 3 ビット×2 セットの加算回路
        • ■ 演習 算術演算子を用いた4 ビット加算回路
  • ========== 第 3 章HDL 実践編==========
    • 【第6 回】 カウンタ機能
    • 【第7 回】 水晶発信器を用いたクロック機能
      • やってみましょう10) 外部クロックを用いて、秒カウンタを構築しよう
        • 秒カウンタ
        • クロックを分周して、7 セグメントLED に表示する(0~9 秒まで)
        • ■ 演習 0.1 秒間隔でカウントアップ
      • やってみましょう11) 外部クロックを用いて、ダイナミック点灯機能を実現しよう
        • ダイナミック点灯
        • 秒を7 セグメントLED×2 に表示する(0~60 秒まで)
        • ■ 演習 8bit のDipSW の値をダイナミック点灯を用いて7 セグLED2 個に表示する
      • やってみましょう12) 分・秒表示できる時計を構築しよう
        • 分、秒を7 セグメントLED×2 にダイナミック点灯させる(0~60 秒まで)
        • 分・秒の切り替えは、「CPLD 基板」上のDIP スイッチを用いる
        • ■ 演習 エンコーダ信号のカウント値を7 セグLED にダイナミック点灯させる
    • 【第8 回】 ステートマシン(状態遷移)機能
      • やってみましょう13) ステートマシンによる状態遷移を理解しよう
        • ステートマシン
        • 分岐のない状態遷移図に従って、ステートマシン機能を実現する
      • やってみましょう14) 分岐のある状態遷移機能を実現しよう
        • ステートマシン
        • 分岐のある状態遷移図に従って、プッシュスイッチの入力に従って、状態遷移する
        • ■ 演習 過去の情報に基づいて状態遷移する
      • やってみましょう15) 簡易電卓を構築しよう
        • レジスタ回路、カウンタ、ステートマシンを使った総合演習
        • 加算、減算の機能を有する電卓
        • ■ 加算、減算、積算、除算の機能を有する電卓
  • APPENDIX
    • 回路図
      • e-nuvo BASIC 回路図
      • e-nuvo BASIC CPLD 拡張基板回路図-
      • e-nuvo BASIC CPLD 基板回路図
    • 図面
      • エンコーダスリット

車輪・倒立二輪型ロボットで学ぶ


nuvo® WHEEL モータ制御学習キット

WH-A1 ロボット教育の専門家『水川 真 教授のライントレース講座』

 ライントレースロボット(nuvo® WHEEL+ライントレースオプション)を用いて、電気回路、マイコンの基礎、プログラミングを学びます。

 まず、ライントレースの原理として、フォトセンサの取得方法、センサフィードバックによる制御理論を学習します。次に、マイコンの基礎として、入出力ポートの使い方、LED点灯、DIPスイッチの取得、AD変換、タイマー、PWM出力方法などを学習します。そして、実際にライントレースロボットを動かすために必要な、DCモータの動作方法(FETによるHブリッジ、専用ICについて)、ロータリーエンコーダ(2逓倍、4逓倍)の取得方法を学び、更に発展的な学習として、PID制御による回転速度制御、電流フィードバックによるモータのトルク制御まで学習ができます。

 サンプルプログラムを収録したCD付いています。

[ テキストの目次 ] ※各章の1ページ目をご覧いただけます。
  • 第1章 ライントレースロボットとメカトロ教育
    • 1.1  ロボットの構成
    • 1.2  ライントレースロボット
    • 1.3  ライントレースロボットの構成
    • 1.4  マイコン回路
    • 1.5  センサ回路
    • 1.6  LEDの点灯
    • 1.7  モータ駆動回路
    • 1.8  速度制御
    • 1.9  方向制御
    • 1.10  方向決定論理
  • 第2章  マイコンの基礎
    • 2.1  マイクロコンピュータとは
    • 2.2  入出力(I/Oポート)について
    • 2.3  LEDの点灯
      • 2.3.1  LED点灯回路図
      • 2.3.2  LED点灯プログラム
    • 2.4  DIPスイッチ
      • 2.4.1  DIPスイッチ回路図
      • 2.4.2  DIPスイッチプログラム
    • 2.5  ライン検出センサ
      • 2.5.1  ライン検出センサ回路図
      • 2.5.2  ライン検出センサプログラム
    • 2.6  A/D(アナログ/デジタル)変換
      • 2.6.2  A/D 変換を使用している回路例 (e-nuvo WHEEL)
      • 2.6.3  A/D変換プログラム
    • 2.7  タイマ機能
      • 2.7.1  タイマ割り込み  プログラム
  • 第3章  DC モータ
    • 3.1 DCモータの種類と特徴
    • 3.2 DCモータの構造
    • 3.3 DCモータの動作原理
    • 3.4 DCモータを動かす (H8/3052F)
      • 3.4.1 ドライブ回路の回路図
      • 3.4.2 プログラム
    • 3.5 PWM(Pulse Width Modulation)
      • 3.5.1 PWMとは
      • 3.5.2 マイコンでPWM信号を作り出す
      • 3.5.3 マイコン機能によるPWM(H8/3052F)
    • 3.6 PWMを用いてDCモータを動かす
      • 3.6.1 ドライブ回路の回路図
      • 3.6.2 プログラム
    • 3.7 DCモータの正転逆転回路
      • 3.7.1 Hブリッジドライブ回路用いたDCモータの駆動(H8/3052F)
      • 3.7.2 プログラム(H8/3052F)
      • 3.7.3 Hブリッジドライブ回路(e-nuvoWHEEL)
      • 3.7.4 プログラム(e-nuvo WHEEL)
    • 3.8 DCモータドライバIC
      • 3.8.1 DCモータドライバICの種類
      • 3.8.2 DCモータドライバICの内部回路
      • 3.8.3 簡単なモータドライバICの特徴
  • 第4章 ロータリーエンコーダ
    • 4.1 ロータリーエンコーダとは
    • 4.2 ロータリーエンコーダの基本カウント
      • 4.2.1 ロータリーエンコーダによる回転方向の検出
      • 4.2.2 基本カウントプログラム(H8/3052F)
    • 4.3 ロータリーエンコーダの2逓倍(テイバイ)カウント
      • 4.3.1 ロータリーエンコーダの2逓倍カウントによる回転方向の検出
      • 4.3.2 2逓倍プログラム(H8/3052F)
    • 4.4 ロータリーエンコーダの4逓倍カウント
      • 4.4.1 ロータリーエンコーダの4逓倍カウントによる回転方向の検出
      • 4.4.2 4逓倍プログラム(H8/3052F)
  • 第5章 フィードバック制御
    • 5.1 フィードバック制御について
    • 5.2 PID制御
    • 5.4 PID制御によるDCモータのトルク制御
      • 5.4.1 PID制御によるトルク制御プログラム(e-nuvoWHEEL)
    • 5.5 PID制御によるDCモータの回転速度制御
      • 5.5.1 PID制御による回転速度制御プログラム(H8/3052F)
      • 5.3.2 ライントレースロボットを動かそう(e-nuvo WHEEL)
      • 5.3.3 ライントレースプログラム

WH-A2 『成蹊大学・柴田教授の 古典制御でWHEELを立たせよう!』

 古典制御(自動制御)はフィードバック制御の基礎となっており、産業界の様々な分野で使われています。制御手法も数多く開発・提案され続けており、現在でも産業界における主力の制御手法であるといわれています。

 本テキストは、古典制御の基礎的な理論概要に加え、「nuvo® WHEEL」を古典制御で倒立させることを主眼に置いた、実習にそのまま活用いただける実験書となっております。もっぱら現代制御理論のテーマとして扱われる倒立振子モデルを、古典制御で倒立移動制御できるようにやさしく詳解されております。

 理論偏重になりがちな制御工学を、倒立二輪型ロボットによる実験を通じて学ぶことで、学生の理解度、習熟度を一層高めることが期待できます。
※本テキスト付属のサンプルプログラムは、nuvo® WHEELモータ1 軸タイプに対応しています。

[ テキストの目次 ] ※各章の1ページ目をご覧いただけます。
  • 1 はじめに
  • 2. 自動制御(古典制御)の基礎
    • 2.1. フィードバック制御
    • 2.2. 運動方程式とモデル化
      • 2.2.1 DC モータのモデル
      • 2.2.2 倒立振子のモデル
    • 2.3. 伝達関数
    • 2.4. 極と零点
      • 2.4.1 極と零点の定義
      • 2.4.2 安定性
      • 2.4.3 極配置と過渡特性
      • 2.4.4 極零相殺
    • 2.5. コントローラの設計
      • 2.5.1 不安定極の移動
      • 2.5.2 制御則
      • 2.5.3 制御器設計の例
  • 3. 自動制御による倒立移動制御
    • 3.1. 制御目的と制御系の構成
      • 3.1.1 制御目的
      • 3.1.2 制御系の構成
    • 3.2. 制御対象のモデル化
      • 3.2.1 e-nuvo WHEEL の力学
      • 3.2.2 モータが生じるトルクと摩擦の補償
    • 3.3. 倒立制御
    • 3.4. 倒立移動制御
      • 3.4.1 制御系の設計
      • 3.4.2 制御系設計の工夫
      • 3.4.3 軌道計画
  • 4. まとめ
  • 参考図書
  • 付録
    • 【付録A】運動方程式の導出
    • 【付録B】問題の解答と解説
  • 索引

WH-A3 運動解析編「倒立振子ロボットで学ぶ現代制御」

 nuvo® BASICで、古典制御の基本であるPID制御を学びましたが、ここでは、現代制御理論に踏み込みます。 倒立振子ロボットは、台車の移動量と、台車上にある振子の回転角度を、同時に制御する必要があり、力学モデルを用いないPID制御では、安定化するのが難しい問題です。 現代制御というと、難しい印象を持ちますが、状態量に関する感覚さえつかめれば、大学学部レベル、高専レベルでも、充分に理解可能な理論です。 本書では、初めて現代制御理論に触れる学生を対象として、数式の詳しい証明は割愛し、実際の活用事例を多数示すことで、現代制御理論を適用する上で考慮すべき点、注意すべき点をエンジニアの観点から感覚的につかむことを目的にしています。

[ テキストの目次 ] ※各章の1ページ目をご覧いただけます。
  • 【第0章】 はじめに
    • 0-1 はじめに
    • 0-2 この教材の特徴
    • 0-3 MBD における e-nuvoWHEEL の位置付け
  • 【第 1 章】 制御とは
    • 1-1 制御とは
      • 【やってみましょう 1-1】身の回りのものから、制御についてディスカッションしてみましょう
      • 【やってみましょう 1-2】制御を JIS の定義に照らし合わせて考えてみましょう
    • 1-2 制御システムの構成とブロック線図
      • 【やってみましょう 1-3】ブロック線図を描いてみましょう
    • 1-3 制御の歴史
    • 1-4 古典制御から現代制御へ
  • 【第 2 章】 状態方程式による物理現象の表現
    • 2-1 状態量と状態方程式
    • 2-2 力学系(並進運動)の状態方程式
      • 【例 2-1】 1 自由度振動系(並進運動)の状態方程式
      • 【例 2-2】 2 自由度振動系(並進運動)の状態方程式
      • 【例 2-3】 1 自由度振動系(並進運動)の MATLAB シミュレーション
      • 【やってみましょう 2-1】
        • 2 自由度振動系(並進運動)の MATLAB シミュレーション
    • 2-3 力学系(回転運動)の状態方程式
      • 【例 2-4】 1 自由度振動系(回転運動)の状態方程式
      • 【やってみましょう 2-2】2 自由度振動系(回転運動)の状態方程式と MATLAB シミュレーション
      • 【やってみましょう 2-3】ギアを介して駆動されるシステムの状態方程式
      • 【やってみましょう 2-4】倒立振子ロボットの状態方程式と MATLAB シミュレーション
      • 【やってみましょう 2-5】倒立二輪ロボットの状態方程式と MATLAB シミュレーション
    • 2-4 同値変換
      • 【例 2-5】 1 自由度振動系(並進運動)の状態変換
      • 【やってみましょう 2-6】1 自由度振動系(並進運動)の同値変換
      • 【やってみましょう 2-7】倒立二輪ロボットの同値変換
    • (演習問題) 電気系の状態方程式
  • 【第 3 章】 倒立振子ロボットの安定性
    • 3-1 システムの安定性とは
    • 3-2 1 次元システムの安定性
    • 3-3 n 次元システムの安定性
      • 【例 3-1】 2 次元システムの安定性
      • 【問題 3-1】 システムの安定性の略証
      • 【やってみましょう 3-1】2 次元システムの零入力応答の計算
    • 3-4 MATLAB を利用した安定性の解析
      • 【例 3-2】 2 次元システムの MATLAB を用いた安定性解析
      • 【やってみましょう 3-2】倒立振子ロボットの MATLAB を用いた安定性解析
      • 【やってみましょう 3-3】倒立二輪ロボットの MATLAB を用いた安定性解析
    • 付録 3-1 状態方程式の解
    • (演習問題) 安定性の解析
  • 【第 4 章】 倒立振子ロボットの可制御性、可観測性
    • 4-1 可制御性とは
      • 【例 4-1】 可制御性の例1
      • 【例 4-2】 可制御性の例2
      • 【例 4-3】 可制御性の例3
    • 4-2 可観測性とは
      • 【例 4-4】 可観測性の例1
      • 【例 4-5】 可観測性の例2
      • 【例 4-6】 可観測性の例3
      • 【やってみましょう 4-1】1 自由度振動系(並進運動)の可制御性・可観測性の計算
    • 4-3 MATLAB を利用した可制御性、可観測性の確認
      • 【例 4-7】 1 自由度振動系(並進運動)の可制御性,可観測性の確認
      • 【やってみましょう 4-2】倒立振子ロボットの可制御性、可観測性を確認してみよう
      • 【やってみましょう 4-3】倒立二輪ロボットの可制御性、可観測性を確認してみよう
    • (演習問題) 可制御性、可観測性
  • 【第 5 章】 倒立振子ロボットの安定化(極配置)
    • 5-1 1 次元システムの安定化
      • 【例 5-1】 1 次元システムの安定化の数値例
    • 5-2 MATLAB を利用した極配置
      • 【例 5-2】 2 次元システムの極配置
      • 【例 5-3】 MATLAB による 1 自由度振動系(並進運動)の極配置
      • 【やってみましょう 5-1】倒立振子ロボットを、極配置を用いて安定化してみよう (すべての状態が既知の場合)
      • 【やってみましょう 5-2】倒立振子ロボットを、実際に制御してみよう
      • 【やってみましょう 5-3】倒立二輪ロボットを、極配置を用いて安定化してみよう
      • 【やってみましょう 5-4】倒立二輪ロボットを、実際に制御してみよう
    • 5-3 制御器の実装(連続時間系と離散時間系)
  • 【第 6 章】 倒立振子ロボットの最適制御
    • 6-1 過渡応答と入力の関係をスカラーで考えてみよう
      • 【例 6-1】 1 次元 SISO システムの最適制御問題
    • 6-2 MATLAB を利用した最適制御の設計
      • 【例 6-2】 リカッチ方程式を用いた 1 次元 SISO システムの最適制御問題の解法
      • 【例 6-3】 リカッチ方程式を用いた 2 次元システムの最適制御問題の解法
      • 【例 6-4】 MATLAB を用いた 2 次元システムの最適制御問題の解法
      • 【やってみましょう 6-1】1 自由度振動系の最適制御問題
      • 【やってみましょう 6-2】倒立振子ロボットの最適制御問題
      • 【やってみましょう 6-3】倒立二輪ロボットの最適制御問題
    • 6-3 倒立二輪ロボットのチューニング
      • 【やってみましょう 6-4】倒立二輪ロボットの実験と最適制御のチューニング
  • 付録
    • MATLAB について
    • コンパイル・リンク
    • ダウンロード
    • サンプルプログラムの使い方
    • ロギングデータの取得方法とデータの解析
    • 参考文献

WH-C1 慶應義塾大学・足立教授の「nuvo® WHEELを用いたMATLAB演習と制御実験』

 実習でそのまま活用頂ける実験書を、慶應義塾大学理工学部物理情報工学科・足立修一教授に執筆して頂きました。受講者へ配布ができるよう、印刷可能な演習問題のPDFファイルをCD-Rに収め本書に付属しています。

[ テキストの目次 ] ※各章の1ページ目をご覧いただけます。
  • 1 はじめに
  • 2 簡単な倒立振子の制御系設計 – 倒立二輪ロボット実験の準備
    • 2.1  問題の説明
    • 2.2 倒立振子の物理モデリン
    • 2.3 倒立振子のアナリシス
      • 2.3.1 安定性
      • 2.3.2 可制御性と可観測性
      • 2.3.3 制御のしやすさ
    • 2.4 倒立振子のコントローラ設計
      • 2.4.1 極配置法による状態フィードバック則の
      • 2.4.2 オブザーバによる状態変数
      • 2.4.3 最適レギュレー
  • 3 倒立二輪ロボット実験
    • 3.1 物理モデリングによる状態方程式の導出
    • 3.2 状態空間モデルを用いた倒立二輪ロボットのアナリシス
    • 3.3 倒立二輪ロボットのフィードバック制御系設計
      • 3.3.1 極配置法
    • 3.4 最適レギュレータ
  • 4 おわりに
  • 問題解答例
  • Appendi

雑誌・専門誌掲載情報 - 2010年

寄稿

各社より許諾を得た誌面の全部又は一部を掲載しています。

連載

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