１８．９．３０ 振子はかり

ものづくり教室の教材用に、振子の周期を測定してで重さを計算する秤を作ってみた。普通の振子は錘の重さが変わっても周期は変わらないが、振子の皿に錘を乗せると、錘の重さで周期が変わるのがミソ。

振子は木の枠で作ってあり、振子を吊るす棒の真ん中あたりにビスとナットの錘がついている。これで、振子の重心がビスのあるあたりになる。振子の皿に錘を乗せると、振子全体の重心が錘の重さの分下に移動するため、振子の周期が長くなる、という仕掛け。

振子が軽く振れるよう、軸にはボールベアリングを着けた。外径4mmのアルミパイプを軸にして、内径4mmのボールベアリングを3Dプリンタで作ったケースに入れて、振子を支える柱に取り付ける。
以前作ったレゴの軸を使った振子に比べると、振子の揺れが減衰する時間がかなり長くなった。

振子の周期を測定するため、振子の皿の下にシャッターを取り付ける。床に取り付けた赤外線LEDとフォトトランジスタで作ったセンサーでシャッターが通過する間隔を測定する。
周期と錘の重さの関係は簡単な式では表せないので、重さのわかった錘を乗せた時の周期を何種類か測定して記憶しておき、測定する錘を乗せた時の周期で補間の計算をして重さを求める。0gから90gくらいまで7つの重さの周期を記憶してある。直線補間では誤差が大きいようなので、2次式で補間している。

錘をのせて振子をゆすると、4ケタのLEDに重さが表示される。1周期ごとに重さが表示されるが、時間がたつと振幅が小さくなり、周期が短くなるため、重さが小さくなっていく。振子の周期は振幅に依存しない、というのは振幅が小さい時だけ、というのが良くわかる。振幅が一定の値になった時の周期で最終的な重さを計算する。
重い錘をのせると、振幅が小さくなるのに時間がかかる。重いものを測るときは振り始めの振幅を小さくしたほうが良い。
直方体の錘の重さを測るとき、平らに置いた時と、立てて置いた時では重心の位置が変わるため、重さが変わる。
精度もあまり良くないし、測定中に重さが減っていったり、錘の置き方で重さが変わったりするあやしい秤であるが、振子の特性を数字で見れるのが面白いと思っている。

１８．９．２８ 三輪車でコース走行

前回と同じ三輪車で格子状の道に設定されたコースを歩くようにした。コースは車を動かしながら設定できる。

車輪はレゴのプーリーにゴムタイヤをつけたもの。タミヤのミニモーターの軸で直接ゴムタイヤの外周を駆動する。センサーはいつもの反射型フォトインタラプタを2ヶ使う。後輪はボールキャスター。

縦４本、横３本の格子状の道で、左下から右向きにスタートし、決められたコースを歩いてスタート地点に戻ってくる。その後は同じコースを歩き続ける。
コースの設定は、１マス毎に次の方向をリモコンで指示しながら車を進めていく。適当なところで終わりにすると、出発点まで戻る道は自分で考えてコースを完成させる。

コースを設定するときは、ボリュームで速度、係数P・D、次の方向、を指示する。

１８．９．２７ 高速ライントレース

タミヤのミニモーターで動かす三輪車でライントレース、これまでで一番速く走れるようになった。PID制御の係数の効果がわかりやすいよう、専用のリモコンで操作する。

車輪はレゴのプーリーにゴムタイヤをつけたもの。タミヤのミニモーターの軸で直接ゴムタイヤの外周を駆動する。センサーはいつもの反射型フォトインタラプタを2ヶ使う。
ライントレースの制御はPID制御で行うが、I（積分）の項はすぐに発散してしまうので、P（比例）とD（微分）だけで制御している。P項だけだとジグザグに動きながらトレースしていき、スピードを上げるとラインからはずれてしまうが、D項の係数を大きくしていくと、スムーズにトレースするようになり、高速でも安定してトレースできる。

リモコンにはスイッチ2ヶ、ボリューム3ヶ、ディップスイッチ1ヶの操作子がある。ボリューム3ヶで、速度、係数P、係数Dを変化させる。スイッチはスタートとストップ。ディップスイッチは動作モードの選択に使う。