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模型車両走行テスト用レイアウト


またまた電子工作の記事です。いろいろな車両を製作したり購入した時に気軽にその走行テストを行えるように簡単なレイアウトを作りました。Nゲージ(9mm)とZゲージ(6.5mm)の両方の車両をテストできるようにしました。
まずは試作でブレッドボードとArduino_UNOボードによるプログラム作成の様子です。机の上が実験室のようになっています。
Breadboard_based_Controller.jpg

一旦プログラムが完成するとArduinoボードやPCが必要なく、マイコンのATMega328Pのみで動作を行うことが可能です。信号ラインとしてはたった3本(Analog INPUT1本,ドライバー制御用の信号2本)を使用する構成です。したがってかなり回路が簡単になりました。ただマイコン、モータードライバIC駆動用のVcc=5Vの電圧供給とマイコンクロックの16MHzを発生させる水晶発振子を取り付けなくてはいけません。

汎用基板に組み込む回路図を示します。回路は全く基本的なもので、今後いろいろなコントローラに応用できるものです。外部からはスイッチングACアダプターでモーター駆動には6V−12Vまでの電圧を加えることができます。基盤内部では3端子レギュレータでマイコンとIC用電源5Vを作っています。
20150212_Testbed Speed Controller

このコントローラに使用したプログラムです。10KBのボリュームをマイコンのアナログ入力に接続しその値の中点を境目にして方向転換をさせるものです。マイコンからは2本の出力があり、それでモータードライバー用のICを制御します。アナログ出力をPWMの形でモーター駆動に使っています。
Testbed_Layout_TrainControl_Program.png

組み込んだ基盤の写真です。5V電圧が出力されている確認用のLEDをつけました。
IMG_1905.jpeg

動作を下記に示します、動画をご覧ください。ボリュームの回転によって静止、逆転、速度制御ができるようになっています。別途ゲージ切り替えようにスイッチを設けました。




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レイアウトに配置するケーブルカーの製作(その1)

今制作中のレイアウトにミニケーブルカーを配置することにしました。そのケーブルカーの製作状況を報告していきたいと思います。今回はその構想をお話しします。

写真はレイアウトとミニケーブルカーの設置場所。
レイアウト

普通ケーブルカー(ちなみに英語ではFunicular,フニクラー)と言えば2台の車両が井戸のつるべ式のように交互に往復する方式ですが、今回は上記の写真でわかるように組み込む場所が大変制限されているので、1台の車両を昇降させる方式を考えます。大体の概略は下記の図のようになります。
ケーブルカー概略図
レールの上端と下端に感知センサーを入れてケーブルカーを検知します。その信号をマイコンに与えて、昇降ドライブを動かすわけです。モータードライブはタミヤのミニモータギアを使用し、感知センサーはフォトリフレクターTRP105Fを2個使用します。

検知センサーはかなり小さいもので、100円玉と比べた写真を掲載します。右はその回路図です。センサーは赤外線LEDとフォトトランジスターから出来ていて物体が近づいてLEDが発する赤外線を物体が反射すると回路がオンになる仕組みです。

IMG_1887.jpg  TRP105F.png

下の写真は試作用のボードでArduinoコンピュータボードとモータードライバーTA8291Pをブレッドボードに組み込んだモジュールです。プログラムが完成して動作確認ができた後の本番ボードはもっとすっきりしますが、ここではジャンパー線が多くぐちゃぐちゃしています。
IMG_1888.jpg

シーケンスは下記のフローチャートのようになります。
ケーブルカー制御フロー

モータとギヤは下記の部品を使う予定です。
IMG_1886.jpg

ケーブルカーを乗せる軌道は普通のレールの裏側に第3軌道を設けてケーブルカーが落ちないようにする構造を採用します。左は表側、右は裏側です。車両の製作はこれからですが。。
IMG_1889.jpg IMG_1890.jpg

次回のレポートではこれらを実際に組み込んだものを紹介したいと思います。

新しい列車コントローラーの試作

最近アップデート数が少なくなっています。今回はいま検討中の電子回路の件です。

Hブリッジ(説明は後述)という回路が組み込まれたモータードライバーとArduinoのマイコンを使って列車速度制御コントローラのRev3を考えてみました。通常のモーターコントローラーはモーターの回転速度を変化させる機能はありますが、モーターの正転と反転を行うことができません。その場合手っ取り早いのが出力反転できるようなトグルスイッチを外付けにします。わたしのRev2までのコントローラはこのような方式を採用していました。

しかしこれはマニュアル動作で行わなければならず、列車の自動運転等を行うにはいろいろ工夫が必要になります。このようなハードウエアの小細工をしなくても正転、反転、速度制御ができるHブリッジを組み込んだドラーバーICがあります。今回はこれを使ったコントローラを作りたいと思います。今まではディスクリートの素子を使用していましたが、今回はArduinoのマイコンとドライバーIC、たった2個の素子で実現可能なモーター制御回路を試作しました。

今まで使用していた反転スイッチを示します。かなり古典的な方法です。

トグルスイッチ反転機構

今回使用するのはHブリッジ(下図)と呼ばれる回路でスイッチの代わりにトランジスターをスイッチに使用します。試作機のモータードライバーICのTA7291Pにはこの回路が組み込まれています。
図の赤字のケースを正回転とすると青字に切り替わると反回転になります。赤と青でモーターを流れる電流が反転しているのがわかりますね。このコントロールにはICの入力のINPUT1, INPUT2で行います。
Hブリッジ回路

TA7291の外観、10本のピンが出ています。左から1番、2番の順番です。3番と9番は使いません。
TA7291P外観 TA7291APin _Assignment



以下、今回の試作回路です。部品表、写真と回路図を示します。
使用した部品表です。モーターとTA7291Pはこの試作のために購入しました。黄色で示した行の部品は汎用品で、いろいろな実験の共通部品です。
部品表

ブレッドボードに装着した部品。電源確認用のLEDがついていますが、これは特に必要な物ではありません。
Motor ControlV3_1

回路図です。ご覧のようにモーターの電源とICの電源が分かれています。Arduinoのマイコンボードの中にはレギュレータが入っていて9Vを5Vに変換しています。モーターには直接6Vを印加しました。モータによってこれが3V等低くなる場合もあります。その場合はVs>Vrefにしなければなりません。若干の注意が必要です。今回の試作ではVs=6V、Vrefが5V Peak_to_Peakなっています。実はVrefにはモータの速度を抑えるためにPWM要素が入っています。これは次のプログラムを見ると理解できます。
Motor_Controller_Ver3_1.png


マイコンのプログラム。正回転(時計回り)と半回転(反時計回り)を交互に3.5秒回転して5秒停止するループを繰り返すようなシーケンスになっています。
20140930_Arduinoスケッチ

その様子を示した動画です。偶然ですが、途中うまくハイホーの音楽にハーモナイズしています。面白いですね。


マイコンのアナログ入力に何らかの信号を与えることにより、外部から速度や回転方向を制御することも可能です。次の拡張版で試したいと思います。レールにセンサーを置くことで方向転換もできるようになります。このコントローラではハードをかえずにプログラムをかえて結構いろいろなことを行えて便利ですね。



新規鉄道模型レイアウト制作状況その5:アーチ橋の制作(その1)

今回は少し電子工作から離れてジオラマ制作の話をしたいと思います。レイアウトに組み込む予定のアーチ橋の制作進捗状況です。レーテッシュ鉄道アルブラ線のフィリズール近くのランドバッサー橋をプロトタイプにしたものを模型化しました。半径70mmの曲線で表すアーチ橋なので実物では存在しない橋ですがうまくデフォルメできればと思っています。
ランドバッサー橋

まずアーチ橋の基礎部分を木材で作ります。線路の曲率が大きいためにアーチの構造は結構複雑な形になります。線路が通る半円形の橋の部分を作成しそれに足をつけていきます。固定は木工ボンドと添え木、なおかつ釘で止めています。以前同じような構造をスタイロフォームをベースに作成したのですがコーティングする粘土の圧縮圧力が強くアーチ橋の足の部分が曲がってしまったのと、間違って橋桁を折ってしまったりしたので今回は堅固な構造にしました。ここが今後の形を決める基礎なので慎重に行います。
IMG_1205.jpeg IMG_1207.jpeg

木組みが完了したら次はアーチの制作。スタイロフォームを埋めていきます。ここで使用しているスタイロフォームは固めのものを使用。通常のものよりしっかりしています。
IMG_1224.jpeg IMG_1261.jpeg

スタイロフォームを埋め終わった状態です。スタイロフォームの継ぎ目に段差がありますが、サンドペーパーがけなどの後処理で改善するのでここではあまり気にしなくていいと思います。
IMG_1276.jpeg IMG_1277.jpeg

下の写真(左): これに厚紙で作ったアーチの型を張ります。スタイロフォームを削るマスクとして使用します。左側が内側、右側が外側です。曲率が大きいので外側と内側ではずいぶん形が違いますね。

ちなみに下右側の写真はスチロールカッターに自前のステージをつけたものです。このステージのおかげでマスクに沿った曲線を正確にトレースしながらカッティングすることが可能です。フリーハンドでも使えるようにステージは簡単に取り外すことが可能です。
IMG_1404.jpeg IMG_1257.jpeg

さてそのように余分なスタイロフォームを取り除いたのが下記の写真です。この写真では石粉粘土を薄くコーティングしています。アーチ橋の形になってきました。
IMG_1299.jpeg IMG_1291.jpeg

いよいよレンガ作りのテクスチャーの作成に入りますが、これは粘土の上にモデリングペーストを薄く塗りこみ乾燥硬化する前にケガキ針でレンガ模様を彫り込むという行程をとっています。スケールが1/220なのでレンガ上の紙を貼るという方法もありますが、ある程度スケールを犠牲にしても実際に凹凸の感じを出したかったのでこのような作業を行いました。
IMG_1314.jpeg IMG_1315.jpeg


後は塗装と線路の施設、デーティルの仕上げ、レイアウトへの組み込み等を行いますが、その進捗はまた後日記事にしたいと思っています。



新規鉄道模型レイアウト制作状況その4:arduinoによる信号制御

先日記事にしましたトラックに信号機を取り付けることにしました。ダミーの信号にしようかと思ったのですが、せっかくですので列車が通過したときに赤信号にかわるようにしました。今回はその試作品の話です。例によって制御にはArduinoのマイコンを使用しました。

下記の写真は信号機と制御回路をブレッドボードとArduinoに組み込んだ写真です。
信号機

回路図はマイコンを使用するのでかなり簡単です。次にそれを示します。信号機はメルクリン製品を使用。アノード(プラス極)が共通で赤黄青それぞれがカソード(マイナス極)につながっています。したがって信号灯をつけるためにはアノードがHIGHでカソードをLOWにする必要があります。
信号制御回路

車両検知にはフォトレフレクター(赤外線センサー)TPR105を使用します。このデバイスは赤外線LEDで光を出し、何か反射するものがあるとそれをフォトトランジスターが感知をしてONになるという構造をしています。検出距離は1-10mm。大きさは2.5MM x 2.5Mで6.5mmゲージの線路に設置するのにはちょうどいい大きさですね。実物のATSセンサーのような感じで収まります。なお列車を検知した場合は信号はLOWになります。下記写真はブレッドボードに実装したフォトレフレクターの状況を示しています。
列車検知回路

実はCCDカメラは肉眼では見えない赤外線にも感知します。次の写真は発光部から赤外線が出ている状態をカメラの目でみたものです。新しいカメラはフィルターでこのような赤外線が感光しないようになっていますが、一昔前のものでみるとテレビのリモコン等も光るのがわかります。違う見方をすれば昔のデジカメは必要のない光までも取り込んで写真を撮っていたことになりますね。これが実際の肉眼で見た景色と写真に違和感があることの一つの要素だったのですね。
赤外線センサー

さてマイコンのプログラムですが、下記のようなシーケンスになっています。
FlowChartSIgnalCTRL.jpg RGYSignal_CTRL.jpg

プログラムそのものも結構簡単なものになりました。列車通過すると赤信号にかわり2秒そのままで黄色になりさらに2秒で青信号に戻るという感じです。列車がこないとずっと青信号のままで待つことになります。このプログラムはオブジェクトで
1.348バイトのサイズです。ArduinoのメインのマイコンATMega328は32Kバイトまでのプログラムが格納されますので、今回この制御回路には少しもったいない気がしますが、ATMega328が250円、下位のマイコン(例えばATTiny2313;プログラムサイズ2Kバイト)でも150円程度。金額的にはそんなに大きくないのでArduinoの互換性を保つためにATMega328を使うことにしました。

このような試作回路を組み込んで列車感知の代わりに指で感知させて信号を変化させた動画をみてください。


今後はこの試作検知回路を基本として次のような機能をレイアウトに組み込むために追加予定です。
(1) ATMega328のみを別基板に組み立てる。Arduinoと互換性を保ったまま基板縮小(組み込むための省スペース)と単機能化。
(2) 日光やその他の電子機器のリモコンが照射されても誤作動しないようにプログラムを改良。
(3) かつレールに逆方向の電流が流れている場合は信号を常時赤にする回路およびプログラムを追加する。

それではまた。