ダイダロス研究その2

以前に飛行距離世界記録を記録した人力飛行機のDaedalusについてのことをまとめていました。

ダイダロス研究

そのDaedalusの当時の記録映像が「The Light Stuff」(映画の「The Right Stuff」が元ネタ笑)っていう題名でまとまっていてyoutubeに上がっていました。
面白かったので止まってしまった前回の更新を引き継ぐ形でまとめておこうかなと思います。

元映像



 

記録飛行

1988年4月23日にギリシャのクレタ島を出発して飛んでいるDaedalus。美しい飛行機は性能がいいという言葉の通り、かっこよく綺麗に飛んでいます。

出発の瞬間。滑走路に沢山の人が集まってお祭り騒ぎのようです。

飛び出しも横顔もため息出るほど美しい。

パイロット

オリンピック出場クラスの人を5人集めて正式なパイロットにしました。世界記録を狙うにしても贅沢な話です。

パイロットがどのぐらいの出力と時間焦げるのか、出力、酸素量、心拍数を計測したようです。

設計

マーク・ドレラ先生によってこのプロジェクトのためにXFOILとXROTORというソフトが作られ、設計に生かされました。XFOIL(XFLR5)やXROTORについてはこのブログでいくつか記事書いています。

XFOILは低レイノルズ数領域での翼型の解析ソフト。XROTORはプロペラの設計ソフト。Daedalusプロジェクトはパイロットを豪華にするだけではなく、合理的な設計にするための工夫がすごく多いのが自分の中の魅力です。

制作

カーボンのシート(CFRPのプリプレグシート)を芯に巻きつけているところ。手に付いている油がつかないように手袋して丁寧に貼っているのがわかります。この後樹脂が硬化する温度まで焼いて主翼の1次構造材にしているはずです。1980年代になって初めて産業用として使われたCFRPを使っている、当時としては最先端を行く構造設計です。

飛行機の格納庫で制作している様子。日本の鳥人間のチームと違って広々作業しているのがわかります。

当時としては新しい技術なのかわからないが、翼の2次構造材であるリブの材料である発泡剤はコンピュータ制御の熱線で切り出しているようです。CNCのワイヤーフォームカッターというジャンルになると思います。必要なところには人と手間をかけて、省力化できるところは省力化するっていう(その技術力と)合理的な考え方が素敵です。

CNCフォームカッターで切った翼型の発泡材は治具を作って丸鋸でスライスしているようです。日本の鳥人間チームからすると珍しいかと思います。

主翼が必要な荷重に耐えられるかどうかの試験をしている様子。主翼を逆さまにぶら下げてペットボトルで揚力の代わりにしています。

足を漕いだ時の根本になるクランクを繋げるボトムブラケット。これも軽量化を極めるようなアルミニウム合金を使って十分な剛性があるようなギアボックスにしているようです。

プロペラを取り付ける部分(プロペラハブ)。カーボンを多用し軽量化に務めているのがわかります。

手で回してみて駆動系の動きを確認している。

マークドレラ先生が(ラフな格好で笑)プロペラの取り付けをしているところ。XROTORというソフトを作って設計していたみたいです。その解説などこのブログで以前に書いています。

駆動系とプロペラを合わせて回転試験をしているところ。音や振動などで駆動系とプロペラが正常かどうか判断しているのだと思います。

主翼と胴体をくっつけている部分。荷重的に一番シビアになる部分でここの構造も面白いです。

試験飛行をしているところ。砂漠地帯で広々行なっています。

設計変更で主翼の長さを伸ばすために最外の翼を付け替えられるようにしたようです。

主翼の表面あらさによって性能が変わるからだろうか、リブ部分が多少膨らむからだろうか、主翼の表面の前縁材をヤスっています。

接着剤の量も厳しく軽量されていて、刷毛で丁寧に塗っています。

フライトコンピュータを設置しています。超音波高度計やケイデンス計などを搭載してたようだが、試験飛行だとさらにセンサーを増やしているようです。

足回り。狭いようだが、透明フィルムによってパイロットの視界は十分に確保されいるようです。

試験飛行

試験飛行で一度大きなクラッシュをした。危険なクラッシュだったが、パイロットには大きな怪我はなかったようでした。これによって多少の設計変更を迫られたようです。

パイロットには心拍数を測れるようにしています。エンジンのチェックをしているようなイメージでしょうか。

記録

記録本番。風の弱い日を待ってのフライト。

ボトルいっぱいの特別なカロリーなどを調整したドリンクを積んでいます。4時間の運動に耐えられるように専門家が考えて調合しているようです。論文も出ています。

船で追いかけつつ、軍艦が周りにいるところを飛んだりしながら到着予定のサントリニ島に到着したが、目前になって横からの突風によって桁が折れて墜落しました。

記録を求める機械構造物はその役目が終わった瞬間に崩れるぐらいの攻めの設計製作が究極(良いかどうかは知らないが)だと言われるが、まさにその通りの結果になったことも含めて、ドラマチックな世界記録です。

昔、所属サークルで擦り切れたVHSでこの動画を見たような記憶があるのですが、改めてキレイな動画を見ると、ダイダロスプロジェクトが当時としては最先端で合理的で人的・資金的資本を存分に投入した興味深いプロジェクトなのがよくわかります。

リンク

http://web.mit.edu/drela/Public/web/hpa/

Mark Drela先生のホームページですが、ここの中のPDFが非常に綺麗にまとまっています。ここにあるものを読むとだいたい人力飛行機の考え方とか勉強になるかと思います。このブログの記事も多くをこれから引っ張ってきたものです。

 

 

就活思い出し1

就職活動っていう「一生を決めるイベント」とも「茶番で不毛な時間」とも取れるのを去年12月頃から5月頃までしたのでその思い出のまとめを忘れないように書き留めておこうと思います。

特に誰に対して有意義な記事にしようとか、どこかの企業を陥れたいという意図は全く無くて、ただ単に個人的な思い出です。受けようと思った企業は適度に悩んだ末に、自分の人生をかけても良いと思えるような企業だと思って受けました。それに、このブログに書こうと思ったのも、それぞれ自分の意識を変えるほど大きく影響を受けた”人”や”製品”があるところを名前上げてみたいと思ったまでです。自由応募では全滅だったので失敗談として書くつもりです。

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AVRライターでArduinoのスケッチを書き込む

 

組み込みのプログラムはArduinoやってて、それ以外のマイコンを勉強するのは面倒くさくて、でも小さいマイコンを安く使いたいなぁというズボラでケチな発想で色々いじったことの自分用メモです。

Arduinoはいいんだけど大きすぎるということで、表面実装のATmega328-Pを使いたいと考えています。Arduino miniだかproだかを買えばすごく簡単だけど、値段が高いのでただのチップにAVRライターで書き込もうと考えました。

  1. AVRにブートローダだけライターで書き込んで、USB-シリアル変換基板でプログラムは書き込むという方法
  2. ライターだけでArduino IDEを使って書き込む。

 

1の欠点は変換基板買わないといけないし、外にシリアル変換基板と繋げやすい配線つくらないといけないのがめんどくさい。2には欠点はないと思ったのが大間違い、いくつかひっかかった。

 

ブートローダの書き込み

この記事の最後に書いてるやり方だとブートローダは必要ないけど、手続きがほぼ同じなのでまとめておきます。

AVRにArduinoブートローダーを焼き込み成功までの過程」「ATMEGA328P の Arduino化まとめ」「本家」とか参考にしました。ただ、チップが違ったりソフトがAVR Studioから新しいAtmel Studioになってたりするので変更部分だけまとめ。

Atmel Studio 6を起動して、「ツール」→「Device programing」。左上の「Tool Device Interface」をそれぞれ「AVRISP mkⅡ Atmega328P ISP」に設定。Apply押すと画面のようなものが出てくる。書き込み速度などはいじらず、ブートローダを書き込みました。ヒューズはチットと設定によって変えなければならないが、今回はAtmega328-Pの最初のままのものにしましした。

EXTENDED:0xFD
HIGH:0xDA
LOW:0xFF
Lock bits:0xFF

ライターを使ってArduinoIDEから書き込めない

Arduino IDEで書いたスケッチ(プログラム)はライターを使って「書込装置を使って書き込む」でOKだと思ったら、「avrdude: usbdev_open(): did not find any USB device "usb"」というエラーを吐いてしまう。Atmel Studioで使っているAVR ISP mk2のドライバとArduino IDEで使っているドライバが違く、しかも共存できないのが原因でした。しかも自分の環境だとArduino IDEの方のドライバを認識してくれないというトラブルがあって、方針変更しました。参考:「AVRISP mkII とAVR StudioとArduinoIDE

Arduino IDEでスケッチを書き、書き込み用のファイルであるHEXファイルを出力させてAVRライターを使ってAtmel Studioで書き込む。

HEXファイルの出力とライターで書き込み

Arduino IDEからHEXファイルを作るためには以下を参考にさせてもらった。

Arduinoのスケッチを買ってきたマイコンに書き込む

Arduino1.0だとC:\$$!User]\AppData\Roaming\Arduino\preferences.txtに設定ファイルがあるのでそのtxtファイルに

preproc.save_build_files = true
build.path = build

と追記した。変更したら、Arduino.exeがあるフォルダにbuildフォルダを作る。フォルダ作り忘れるとIDEでエラーが出る。

ここまでくれば簡単で、Ardino IDEでターゲットとなるマイコンボードの種類と書込装置の設定を確認して、コンパイル(「検証」ボタン)するとArduino.exeの中のbuildフォルダに沢山のファイルができる。この[プロジェクト名].cpp.hexファイルをブートローダを書き込んだのと同様に「ツール」→「Device Programming」→「Memories」の中のFlashに書き込むHEXファイルを参照して「Program」ボタンを押す。

これで無事動きました。

先にブートローダのことを書きましたが、この方法だとブートローダは必要無いです。色々と遠回りをしてるような気がして滅入りぎみ・・・

MPU-6050基板作ってみた(後半)リフローしてみた

前半からの続きです。

作った基板のセンサのハンダをつける足は外にでてない恥ずかしがり屋さんばかりです。特に地磁気センサや気圧計は基板につけると足が全く見えない真性の引きこもりです。このハンダ付けについてのことです。

QFNパッケージなどのハンダ付けはホットエアーを使えばできたのと、Fenrirさんがやってる方法もあるみたいです。しかし、手先の器用さが関係なく誰でも作れるようになるといいなと思ってリフローを試してみました。

参考にしたのはスイッチサイエンスのご自宅リフローキットのページです。

準備

大学にいると環境が良く、以下のものが使えました。スイッチサイエンスの例ではクラフトロボというカッティングマシーンではんだのマスク(ステンシル)を作っています。自分はEagleで基板設計したものを直接読み込めるメリットを考えて基板切削機を使いました。

  • ステンシル作り:基板切削機(LPKF社製)
  • ヒーター:ホットプレート(加熱実験用)
  • ステンシル1:OHPシート(厚さ100μm)
  • ステンシル2:レーザープリンター専用紙(サンワのつやなしマット紙厚手0.174mm)
  • クリームはんだ:鉛ありのもの(鉛フリーの方が健康的に使えそうだったと反省)
  • 道具類:ピンセット、スキージ(使用済みクオカード)、基板固定用基板、両面テープ、薄刃カッター

最初に試したOHPシートはちょうどいい厚み(100μm)で硬さも良さそうで、紙みたいに濡れないので使ってみました。しかしこれが上手くいきませんでした。

OHPシートの失敗

OHPシートを切削機で削るとバリが出るのではんだを塗るときに浮いてしまい、境界がきちっとでませんでした。目で見えるバリは取ったつもりでも、端面が曲がっているようなバリは取りきれませんでした。

写真は最初にOHPシートでカットしてプリヒートまで行った一番ヒドイときのものです。基板とステンシルが離れているためにクリームはんだが広がって細かい部分が全部潰れてしまっています。あと、プリヒートすると少し粘度が下がってはんだが流れていくので写真のような状態になりました。

このまま部品を付けずにリフローすると多くがブリッジしてしまいました。

レーザープリンター専用紙

そこでスイッチサイエンスのページの通りにポリプロピレン合成紙というのを使ってみようと思いました。同じ物かわからなかったのですが、似ていると思いレーザープリンター専用の紙(生協で売っていたサンワのつやなしマット紙厚手0.174mm)を使いました。

基板切削機のユニバーサルカッターは刃が円錐状になっているので表面と裏面でステンシルの大きさが違うので広い方が基板につくようにした方が良さそうでした。

以前作った基板用のステンシルはこんなです。薄刃カッターで切り残りなどアヤシイ部分を手直ししています。

やってみて

スイッチサイエンスのページにほとんど書いてるようなことですが、ポイントだなと思った点は以下です。

  • Eagle上のCAM ProcessorでtCreamを表面反対にして(Mirrorをチェック)ガーバーデータ(GERBER_RS274X)を出力する
  • そのままだとtCREAMを残して切削してしまうので、カットオフを利用して読み込んだガーバーデータを切り抜く形にする
  • 基板をしっかり固定する
  • ステンシルを浮かせない(浮かないように周りの押さえの基板よりハンダ塗布の基板の下に紙を挟んで高くした)
  • スキージはカードが薄くて良かった
  • スキージで細かい部分にしっかりクリームはんだを入れ込む
  • スキージを立ててしっかりこそぎ落とす
  • リフローの温度管理を時間を守ってしっかり
  • リフローしたらルーペで検査

全部の端子がうまくいくわけではないので手ハンダである程度修正を行なっています。ルーペは大事です。

ステンシルを基板に貼ったところと、出来た基板はこんなです。

参考

スイッチサイエンスさんが作ったサイトと動画が参考になります。

http://trac.switch-science.com/wiki/HomeReflowKit

 

リフローをせずにホットエアーでハンダ付けようと思うと以下の動画が参考になるみたいです。

 

MPU-6050基板作ってみた(前半)基板設計

ロケットなど飛翔体の姿勢計測を気軽な値段でなんとかならないかと思案している今日この頃です。(もっと他にやらないといけないことがあるけど・・・w

その中で目をつけているのがInvenSence社のMPU-6000というセンサーです。

SparkfunからMPU-6050という型番違いのセンサは売られているのですが、これはインターフェイスがI2Cだけなので高速サンプリングを考えてSPIも対応しているMPU-6000を使って動きの早いものの姿勢を計測したいと考えていました。

MPU-6000が発売されたタイミングでTOIDAさんがInvenSenceから購入するということで複数人で共同購入しました。

同時にTOIDAさんが試しに使っていたMPU-6050のRev.Cがなぜか加速度のレンジが2倍になっている(最大±16Gのはずが±32G)になっているということからロケットなどに使えるのではないかということでMPU-6050を譲ってもらいました。

そこで以下のような基板を作ってみました。

  • 加速度ジャイロはMPU-6050
  • 地磁気はHMC5883L
  • 気圧計はMPL115A2
  • 以上をI2Cで外に出す

加速度ジャイロと地磁気以外は秋月で買える部品にしようとした結果、かなり微妙な基板になったのですが、これのハンダ付けをどうしようか悩んで試行錯誤したのでそれは後半に書こうと思います。

写真はFusionPCBに発注かけて2枚しか使う予定無いのに18枚届いてテンションあがったところです。

参考

市販品でセンサは違うけど近いものとしてはこのようなものがありました。

http://www.pololu.com/catalog/product/1265

今後やりたいことは全部下のリンク先のもの十分という市販品もありますが、勉強のために自作することは悪いことではないかと思っているところです。

http://www.pololu.com/catalog/product/1256

http://www.pololu.com/catalog/product/1255