空想：GT-K-9 他

　サバゲでK-9使いたいな、と思って考えてた。どうしてこうなった。
　ガスタービンエンジンで動き回る犬型ロボット。

　ガスタービンのブリードエアで各関節のエアピストンを動かして走り回る。
　稼働時はガスタービン特有のキーンという音がする。ごく短時間ならアキュムレータの圧力により、ガスタービンを停止させて稼働することができる。
　排熱はフレームを通して全身を使って放熱する。フレームむき出しなので風通しが良くて放熱性が良い。寒い時は抱けば暖を取れる。

　背中にちょっとしたペイロードスペースが有る。光学機器を載せて偵察したり、モスカートを載せたりできる。

　燃料は「揮発性ならなんでも良い」「シャネルの5番でも動くぜ！」
　燃料が減ったら勝手に燃料を飲みに行く。

　ちょっとした指示なら音声認識でできる。Bluetoothヘッドセットとか使える。
　Wi-Fiで接続すればスマートグラスに映像を表示したりできる。


　サバゲで誰かK-9やってほしいなぁと思ってたけど、犬型ロボット楽しそうだなぁ。
　椅子に座って何かやってたら膝の上に飛び乗ってきたり、邪魔だけど暖かくて下ろすに下ろせないし。

　でもサバゲでロボット使うと一気に悪役になりそうだ。

　ちょっとしたピックアップトラックのラジコンカーでもサバゲに使ったら楽しそうだけど、僕が行ってるフィールドは草が肩の高さまで有るようなところなので、グランドビークル的には厳しい。
　RQ-11とかほしいなぁ。あれスロットルとエレベーター・ラダーの3chしか無いし、光学ジンバルもオプション扱いで、基本的に3chの入門用ラジコン飛行機にカメラのダウンリンク付けただけだから、飛ばすのは簡単そうなんだよなぁ。
　だいぶ前にラジコン飛行機買った時は、国産の1.5x1.5mくらいの3ch高翼EPが2万円未満だったんだが。最近はそのクラスって売ってないよねぇ。電装系だけでその3倍くらいは軽くかかりそうなイメージ。

パルス圧縮：測距してみた

　パルス圧縮を超音波距離計に転用するには向かないだろう、という予感から、距離を計測する方向に向かっています。

　とりあえず壁に向けてパルスを送ってみました。
　一番大きなピークは0.0137秒後に帰ってきていて、音速で計算するとおよそ2.36mになります。約2.3m先に柱があり、おそらくこれの反射波だと思います。
　0.019秒後にもいくつかのピークがあり、3.25mくらいの距離になります。押し入れの壁がこのくらいの距離なので、おそらくそこの反射でしょう。ピークがガタガタしているのは、押し入れに入れたモノの乱反射だったり、押し入れの中でマルチパスが発生していたり、ということだと思います。
　0.0042秒や0.0082秒にもピークがあり、これは約72cm、1.4mに相当します。一応その距離にそれなりの面積のモノがあるので、そこからの反射波なのかな、という予想はつきます。

　ピーク検出のアルゴリズムを考える必要がありますが、人間が目で見る分にはかなり性能が良さそうです。

　相関を取るには、DAC/ADCが150kspsでパルス幅が20msec、レンジが約20m(130msec)の場合、3k*19.5kで、60M回くらいの乗算を行う必要があります。これにデータR/Wの時間もかかるので、マイコンで処理するのはかなり大変そうです。
　相関を取るのはひたすら乗算と加算を繰り返すしか無いので、マイコンには厳しい作業です。でもARMコアだと加算と乗算が1命令でできるので、その分は他のマイコンと比べれば楽なのかな?

　動作確認なので、手持ちのオペアンプを使って簡単に増幅回路を組んでみました。
　4558DDという種類で、動作電圧は±4Vなので、3.3Vや5Vでは動作しません。
　今回は安定化電源から12Vを与え、7809で9Vに落としてオペアンプを動作させています。増幅率は100倍固定で、出力を3分の1に分圧して、マイコンのADCに入力しています。
　1mから3m程度の距離であれば、100倍固定でも問題ありません。1.5m程度であれば、150mVppくらいでしょうか。2.4m程度なら70mVppくらいです。この程度でも十分に相関がとれます。1mで2.5Vppくらいになるようなゲインにしておけば、かなり長距離でもゲイン調整なしに測距できるかもしれません。

　秋月の超音波距離計キットは、1段目が100倍、2段目が5-20倍で、合わせて500-2000倍程度の増幅率です。

　今回はオペアンプの1回路しか使っていないので、あと100倍くらいは増幅できます。超音波の衰退がどれくらいなのかわかりませんが、単純計算で10倍位の距離までは測距できそうです。現在のレンジが5mとして、50mくらいまでは測距できそうかな、というところです。秋月のキットが3m程度、調整次第で10m程度まで、ということなので、予想通りに行けば5倍の性能になります。とはいえ、実際はそこまでの性能は出ないでしょうから、15m-20mくらい測距できれば十分かな、と思っています。50mとかになると、リファレンスの距離を測るのも大変ですし。


　十分な距離でテストするには屋外に出る必要がありますが、今の時期は外に出たくありません。あと超音波距離計は個人的に需要がないので、完全に興味本位です。ということで、飽きたらそこで終了です。ま、いつものことですね。

パルス圧縮

　超音波でパルス圧縮、中心周波数41kHzくらいでΔF2kHz、パルス幅20msecで、パルス圧縮比100くらい。DAC/ADCは100kHzで通してる。サンプリング周波数が中心周波数の2.4倍程度だから、波形を見ても波には見えない。けどちゃんと相関取れてる。

　相関の結果がいい感じにサイドローブ有って、教科書通りという感じ。

　FFTの結果はちょっと広がってる。サンプリング周波数が低い影響?

　フィルタリング後のパルス幅は1msecくらい。20msecを100倍して1msecなので、ちょっと広い感じ?


　ADCのバッファは150msecくらいかな。超音波距離計なら50mくらいのレンジ。
　ただ、後述の理由で、パルス幅が20msecなら最短距離は3.4mとなる。この距離以内に有る目標は探知することができない。近距離で使うなら、パルス幅を短くする必要がある。


　パルス圧縮でフィルタリング後が1msecとして、「精度が1msec」ということではない。「分解能が1msec」ということになる。1msecで超音速なら35cmくらいの分解能。
　2つの物体の距離が35cm以上離れていれば、分けて認識することができる。それより近い距離にある物体は、1つとして認識してしまう。
　ということになるはず。反射波で試したことがないので正しいところは不明。

***

　某艦載レーダーはパルス幅が最大51usec、最小6.4usecで、PCRは128。となると、最大0.4usec、最小0.05usecくらいの分解能になる。0.4usecなら120m、0.05usecなら15m程度の分解能になる。パルス幅が短ければ分解能が高く、パルス幅がながければ遠くまで検出できる。はず。

　パルス幅が長いと、自分が送信中に反射波が帰ってきてしまう。例えば51usecなら約7.5km以内の物体は、レーダーを送信中に反射波が返ってくるので、この距離より近い目標を探知することができない。6.4usecなら、1km以内の物体は見えない。
　艦隊防空で1km未満まで接近されると迎撃できない、と言うのはちょっと不安な感じだけど、そもそもその距離なら対空ミサイルの最短射程を下回っているだろうし、RAMの最短距離に迫る距離となる。1kmは結構長い距離だけど、この範囲内の目標を探知する必要はない、ということなんだろう。そもそもその距離まで接近された時点で負けだろうし。

***

　超音波でパルス圧縮、チープなマイコンだと厳しい気がしてきた。とは言えPCで処理するにしても、シリアルポートがボトルネックになる。

　とりあえず、今はDACのバッファを無駄に大量に使っているし、ADCも2ch分取っている。測距するだけなら、ADCは1chでいいし、外部のオペアンプとかで逆位相を作るならDACのデータも半分で済む。ADCの前にオペアンプを付けてフルスイングさせればADCの分解能も低くていいから、データ量は半分になる。
　ということで、更新レートが低くていいなら、マイコンでも簡単なパルス圧縮はできそうな気がする。
　でもモノパルスシーカーとか作るとなると、どうかなぁ。

ベジェ

　C#でベジェ曲線っぽいものを書きたくなったので試しに。
　ベジェ曲線の書き方自体うろ覚えで、しかも寝起きで書いてるので変な所あるかも。

　なんとなくそれっぽい感じに書けてるから、大丈夫じゃないかなぁって気がする。
　今回はそれっぽい曲線が書ければ十分なので、これで大丈夫ということにしておく。

　計算のpublic関数で、intとdoubleで多重定義しているので、そこだけ注意。
　それぞれの線の最大長さを指定する方法と、分割数を指定する方法の2種類がある。
　前者は計算量が多い代わりに、なめらかな曲線になる。後者は計算量が少ない代わりに、ガタガタした曲線になりやすい。
　上画像では、黒や白は前者で、緑は後者で計算している。

パルス圧縮

　簡単に正弦波で計算してみた。
　見たことある形になってる。
　ある程度接近していてもそれなりにピークが出てる。あんまり近すぎると打ち消す方向になってしまうけど。

　チャープとか符号とか色々あるけど、結局のところGPSとかのCDMAと全く同じもの(雰囲気の話)。


　単純なチャープ以外にも、符号でパルス圧縮を行う方法もあるらしい。これの場合、複数の送信系で相関の低い符号を使うことにより、クロストークの対策とすることができるらしい。複数の超音波距離計を符号多重にして全周に向けて取り付けて、全方位を測距できるロボット向けのセンサに、とかもあるんだとか。

　時間精度は、位相が180度ずれるとマイナスにピークが出て、かつ相関が低いのでピークは小さくなる。位相が90度ずれるとピークが小さくなる。位相のズレが無いときが一番ピークが高く出る。ということで、タイミング精度は位相誤差90度未満ということになる。
　入力値が複数のbitで表現されている場合、DCオフセットが有ってもそれなりにちゃんと計算できるっぽい。HPF通してDC成分切らなきゃいけないかと思ってたけど、必ずしもその必要はないみたい。フィルタは計算コスト高いので不要ならそれに越したことはない。


　次の課題としては、マイコンで処理しやすいような相関処理を作ること、その計算負荷がどれくらいかを確認すること、あたりか。
　超音波測距をするだけなら相関器は1個でいいけど、モノパルスシーカーを作るなら相関機は4組必要になる。
　最悪、マイコン1個に相関器が1個しか組めないなら、受信1chあたりマイコン1個、合計4-5個使う、という手も有る。嫌だけど。

　超音波風速計に使うなら、0.2フェーズくらいだとちょっとタイミング精度悪いかも。最終的には波形データから直接ゼロクロス点を探す必要があると思う。とはいえ、今まではゼロクロスを検出してもそれがどのフェーズなのかがわからなかったから、パルス圧縮を組み合わせればそのあたりの信頼性は向上するはず。


　パルス圧縮は船舶レーダーとか、エコー検査とか、いろんなところに使われているらしく、様々なPDF資料が出てくる。どれも全部同じように難しくてよくわからんが。


　相関の計算がちょっと自信なくて、もっと別のやり方をするべきじゃないか、という気がしてきたけど、とりあえず今のままでも動いてるので、まずはこの方式でもうちょっと試してみる予定。


追記：2018/02/04

　試しにパルス圧縮比(PCR)128の波形を作ってみる。サンプリングレート1MHz、周波数100kHz、ΔF100kHz、パルス幅1.28msecの想定。
　正弦波は±1の範囲だけど、ノイズとして±5の乱数を加算しても、ちゃんと相関が取れてる。かなりSNR悪くてもちゃんと動作しそう。計算量凄まじいけど。

　AN/SPY-1はPCR128で、最小パルス幅は6.4usだが、このパルス幅ならΔFは20MHzになる。3.3GHzの内の20MHzはかなり小さい変化幅。51usなら2.5MHz程度で済む。フェーズドアレイレーダーは周波数に応じて遅延量を調整するから、あまり周波数が大きく変化するとマズいんだろう。あと大電力発振器の特性の問題とかも有るんだろう。


　とりあえず、リニアのパルス圧縮はなんとなくわかるようになってきたかな。本当に正しい理解なのかは分からないけど。
　amazonでレーダー関連の本を探してみるとそれなりにお高い。仕事で使うなら安い分類だろうけど、ちょっと興味本位で買うのはなぁ、っていう値段。その辺りは追々。

DAC/ADC

　STM32F4のDACとADCをPCから制御するファームウェアを作って、いろいろ波形をだして遊んでいる。
　仕様としては、DACmax2Msps、ADCmax1.4Msps、DAC1.4Msps/ADC1.4Msps時10msec分のバッファがあり、双方とも2chを同時に入出力できる。
　DAC2Msps/ADC1.4Mspsだと正常に動作しない。おそらくDMA転送能力の問題。

　マイコンの仕様ではADCを最大2.4Mspsで動作させることができるようだが、コアクロック168MHzでは1.4Mspsが最大。2.4Mspsで使いたい場合はコアを144MHzにする必要がある。また3個のADCを順番に使うことにより、最大7.2Mspsでサンプリングすることができる。
　ADC変換はピークホールド時間+二分探索の分の時間がかかり、ピークホールドは最小3サイクル、二分探索は12bitで12サイクルが必要になる。168MHzではADCクロックは21MHzなので、21/(3cycle+12bit)で1.4Mspsが最大となる。144MHzの場合はADCクロックが36MHzで2.4Mspsとなる。
　STM32F4ではADC6bitモードがあるので、6bitで使うなら36/(3cycle+6bit)で4Mspsまで設定できて、トリプルADCで12Mspsまでサンプリングできて… となる気がするけど、実際はできるんだろうか? データシートには「up to 24 channels and 7.2 MSPS in triple interleaved mode」としか書いてない。12Mspsでサンプリングできるならそうアピールしそうなものなので、できないのかも。

　昔計算したところによると、超音波風速計で0.05m/sの分解能を得るには20Mspsが必要らしい。仮に12Mspsでサンプリングできるとしたら、5個くらいの位相を平均すれば20Mspsくらいの分解能は得られそう。実際には数百波くらいを計測できるから、かなり高分解能になりそうな気がする。


　今遊んでるPC側のソフトは、DACの波形を生成したり、ADCの波形をFFTに通したり、といった機能を作っている。FIRとかを追加すれば、パルス圧縮とかも試せそうな気がする。
　試しにパルス繰り返しを試してみたけど、こっちはあんまりうまく動いてない。
　パルス繰り返しはドップラーレーダーに有効な機能な気がするし、パルス圧縮もレーダー用途で、正弦波1周期未満の分解能を得るモノでは無い気がする。ただ、パルス圧縮が思ってる通りの機能なら、初期捕捉の正確性が向上しそうな気がするので、ちょっと試してみたい。

　「パルス繰り返し周波数」は軍用レーダーでよく使われる用語だけど、医療用のエコー検査機器でも使われるらしい。軍用のドップラーレーダーは静止目標(地上物等)を除外するためのものだが、医療用エコーでは静止物(体組織)を除外して、移動物(赤血球等)を見るための機能らしい。エコー検査の資料は探せば出てくるので、パルス繰り返し周波数の能力を知りたい方はそちらをどうぞ～。たぶん軍用レーダーの資料を探すより早いはず。


　超音波風速計を作るなら、13倍程度の増幅が必要。この程度ならオペアンプ1段で余裕だろうから、2回路入りの高速オペアンプを3個で足りるはず。ただ超音波風速計は個人的にあまりおもしろい題材じゃないので、優先度は低め。

　モノパルス・ドップラー・超音波レーダーとか作りたい。コレを2軸ジンバルに乗せて、電動ガンも乗せれば、サバゲで陣地の自動防衛ができる。接近目標(=敵)は攻撃して、静止目標は検出しない。HITしたら遠ざかる方向に歩く。
　コレの攻略をするなら、首振りを見て、自分の方を向いたら動くのをやめる、という感じか。意外と簡単に接近できそう。
　オープンループだけど、雰囲気としてはLPWSに近い。電動ガンのミニガンとか使いたいけど、とりあえずマルイのミニ電動ガンとかかなぁ。それでもかなりデカいジンバルが必要な気がする。


　地上物体はグランドクラッターが強いので、静止目標を迎撃するにはかなりの分解能が必要になる。ゲームとかでは自動迎撃ターレットが有るけど、あれは多分FLIRとか使っているんであろう。であるなら、その辺の窓ガラスを外して手に持てば、自動ターレットに迎撃されずに近づくことができるはず。ドップラーレーダーとFLIRを併用してたら無理だけどね。


　超音波で測距するなら40dB前後くらいの増幅が必要。オペアンプ2-3段くらい必要になる。モノパルスだと受信が4chくらい必要になるので、オペアンプ8-12回路くらいか。AGC回路も必要になるので、ちょっと面倒な感じ。FFTにしろFIRにしろ、かなりの計算能力も必要なので、STM32F4で処理できるか怪しい所。

　最近はFPGAでハードウェアFFTを組むのがトレンドらしい(?)。ドップラーレーダー的なモノを作るならFPGAを使うべきなんだろうなぁ。
　電光掲示板のときも思ったけど、ハードウェアでガリガリやりたい、と思うことがある。ただ、なんとなくFPGAは敷居が高い印象。値段も高い印象。マイコンと比べて1-2桁くらい高価なイメージ。あと昔FPGA基板が付属した入門本を買ったら、「転送ケーブル買ってね（＾＾」(くっそ高い)、ということが有って、ちょっとトラウマ気味。


　とりあえず、しばらく超音波で遊んで見る予定。


追記
　パルス圧縮、全く違う理解をしてるっぽいゾ。
　PRFは参考にしたPDFに近い特性が出てきた。けど超音波素子に1フェーズしか入れてないのに50フェーズくらい受信する。ものすごい衰退が遅い。この素子でパルス繰り返し周波数云々の機能は無理っぽいなぁ。


追記

　1.4MspsのDAC(右)とADC(左)のFFT結果。
　40kHzの正弦波を1msecの長さで送信。
　128ポイントなのでものすごい荒い。パルス圧縮ではなく、固定周波数。
　DACからおよそ0.5msec遅れてADCにも波形が出てる。センサ間は15cmなので、音速では440usほど。だいたい計算通りか。
　ADCはなかなか発振が止まらなくて、だいぶ尾を引いてる感じ。パルス圧縮は、この収束の遅さがかなり厳しそう。
　この超音波素子でパルス圧縮は難しいかもしれない。少なくとも、受信素子はもっと応答性の良いものを使う必要がありそう。

メモ：タスクバーのアイコンの一部が表示されない

　Win10で、タスクバーのアイコンの大きさが異常となり、一部のアイコンが表示されない、という症状がでた。
　アイコンが増えると、自動的にアイコンの大きさを縮小してすべて表示できるようになっているが、この自動縮小がコケたっぽい。

　解決策としては

　1) タスクバーの適当な場所を右クリックし、「すべてのタスクバーを固定する」のチェックを外す。
　2) タスクバーのフチにマウスを動かし、カーソルが大きさ変更のアイコンに変わったところで、ドラッグする。
　3) 再びドラッグし、元の大きさに戻す。
　4) 「すべてのタスクバーを固定する」のチェックを元に戻す。

　という手順で修正することができた。
　タスクバーの高さを変えた際に、表示できるアイコンの数が変わったため、アイコンの大きさの再計算が行われ、正しい大きさになった、ということだと思う。

　こういう症状は記憶に無いので、確率としてはかなり低いのだろうが、とりあえずメモ。