回路図

schematic image

footprint image

今回はメイン基板1枚の構成です。

今回の基板は4層構造を採用し、GND、3.3V、6Vはそれぞれプレーンで配置しています。

前年度はモーターの電源のみリポバッテリーを使用し、その他の回路はESP32のピンから電力を供給していました。しかし、今回の設計では3.3V用と6V用のDC-DCコンバータを搭載し、センサーとモーターの両方をリポバッテリーから安定して供給できるように電源系統を大幅に改善しました。

また、前回よりも部品数が多くなったため、ESP32のGPIOピンの数はギリギリの設計となりました。

基板写真

pcb surface pcb back

今年度もライントレースをカメラで行う設計にしています。そのため、機体中央に大きな空間を残す必要があり、基板面積をなるべく削らなければなりませんでした。この省スペース化を実現するため、基板の裏側にブザーとモーター用のURT基板を配置しています。

前回は超音波センサーを前左右に1つずつ配置して距離を取得していましたが、今年度はToFセンサーを採用しました。

さらに、ToFセンサーを前左右それぞれ2つずつ配置することで、前年度の課題であった、救助ゾーンからの脱出を確実に行えるようにしています。

また、新たに追加したロードセルを用いたバンパーにより、障害物回避がより容易に行えるようになる見込みです。

さらにデバッグ用のブザーも配置したため、今後の開発効率がぐっと上がると思います。

メインマイコンには Raspberry Pi 5 を採用し、モーターやセンサーの足回り・制御用に ESP32-DevKitC-32E を基板上に配置しています。

駆動用のモーターは、前回の記事でご紹介した通り、Feetech STS3032 を4つ使用しています。Feetech様、サポートありがとうございます！

レスキュー機構のアーム部分には、SG90 または STS3032 を使用する予定です。

基板に搭載・接続する主なセンサーや部品類は以下の通りです。

部品名 / センサー名	個数	用途・説明
LTC3111	1	6V用のDCDCコンバーター（昇降圧）です。
M78AR033-0.5	1	3.3V用のDCDCコンバーターです。
BNO055	1	9軸ジャイロセンサー。坂道の傾き検知や姿勢制御に使用します。
ToF VL53L0X	6	前方・左右の壁との距離を測定します（前左右に各2個配置）。
ロードセル SC616C (1kg)	2	前方バンパーの接触検知に使用します。
HX711搭載 ADコンバーター	2	ロードセルの値をESP32で読み取るためのモジュールです。
NJL7502L	2	被災者の救助が成功したかを判定する光センサーです。
FE-URT-1	1	STS3032制御用のインターフェースボードです。
PKM22EPPH4001-B0	1	デバッグや状態通知用のブザーです。

※その他、各種抵抗やコネクタ類は回路に合わせて適宜配置しています。

現状、いくつかの問題も見つかっています。

スイッチからの回り込み（漏電） ESP32へのケーブルを抜いても、スイッチ側から回り込んで起動し続けてしまう現象が発生しています。ただ、ケーブルを抜く頻度が少ないことや、プログラムを停止する際はどのみちスイッチを押す必要があるため、運用上は大きな問題にはならないと踏んでいます。
フォトリフレクタの不調 回路設計の影響か、被災者救助を検知するフォトリフレクタ（NJL7502L）がうまく機能していません。しかし、こちらについては被災者救助の判定を「カメラ（Raspberry Pi 5）」側で行うようにソフトを組めば、当初やりたかった機能はカバーできるため、十分に対処可能です。
スイッチとケーブルの物理的干渉 ESP32の通信用ケーブルを挿すと、電源スイッチと物理的に干渉してしまいます。実は前回もまったく同様の配置ミスをしてしまっており、コネクタやスイッチの向き・配置については、次回の設計時に必ず改善しなければならない猛省ポイントです。

幸い、その他の主要なセンサーはすべて正常に動作しているため一安心です。

今回の基板設計データ（回路図やレイアウトなど）は、GitHubにて公開しています。興味のある方はぜひご覧ください。

前年度よりもセンサー類が大幅に充実し、かなり多機能なロボットになりそうです。機体のハードウェアが完成したら、いよいよ本格的なソフト開発に取り組もうと思います。

~Thank you for reading~